CN206157082U - 声学超材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声学超材料。本实用新型声学超材料包括树脂基体，在所述树脂基体中嵌有若干吸波微结构，所述吸波微结构为核壳结构，所述核壳结构是以金属颗粒为核体，以弹性体为壳层并包覆所述核体。本实用新型声学超材料能够对不同频率的声波进行吸收，而且还具有优异的力学性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能。

Description

声学超材料

技术领域

本实用新型属于吸声材料技术领域，具体涉及一种声学超材料。

背景技术

随着现代科技和工业的发展,噪声污染已经成为世界性难题，吸声降噪逐渐演变为一个有关科技、环境、人类协调发展乃至现代军事等各方面的重要课题。

因此，各种各样的吸声材料随之产生，目前被广泛作为吸声材料的是选自玻璃棉、岩棉等无机纤维类垫，聚酯等有机纤维类垫，烧结金属发泡体、玻璃发泡体、陶瓷器发泡体、水泥发泡体、橡胶海绵、聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫等发泡体等的多孔质基材。这些多孔质基材具有连通的复杂的气泡及气孔流路等微细空间，也即是已有的吸声材料凭借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而对入射声能具有吸收作用的材料。当声波入射至多孔质基材时，由于该微细空间的空气粘性阻力、与材料的摩擦、材料的振动，声能转换成热量，从而使得声波被多孔质材料吸收。

但是，这些多孔质基材虽然在高频区域内的吸声特性优异，而在2000Hz以下的中频及低频区域内的吸声特性却差。通过增加多孔质基材的厚度，虽然能够提高在中频及低频区域内的吸声特性，但没有达到足以令人满意的效果。此外，随着多孔质基材的厚度增加，吸声材料的材料成本增加，还有，通过增加重量、厚度，会存在损害施工性的问题，而且纤维材料或泡沫材料制备吸声材料还存在力学性能差、易燃、易潮、防腐性能差的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种声学超材料，以解决现有为吸声材料吸声特性特别是中频及低频区域内的吸声特性却差和力学性能差、易燃、易潮、防腐性能差的技术问题。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型一方面，提供了一种声学超材料。所述声学超材料包括树脂基体在所述树脂基体中还嵌有若干吸波微结构，所述吸波微结构为核壳结构；所述核壳结构是以金属颗粒为核体，以弹性体为壳层并包覆所述核体。

与现有技术相比，本实用新型声学超材料所含的吸波微结构采用弹性体包覆金属颗粒，以形成吸波微结构的局部共振单元，能够灵活对金属颗粒粒径的控制实现在不同频率处达到等效负质量密度，从而实现不同频率的声波进行吸收。另外，本实用新型声学超材料还能通过对树脂基体的控制和选用，赋予本实用新型声学超材料具有优异的力学性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1为本实用新型实施例提供的声学超材料主视结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的声学超材料按照图1中A-A’的截面一种结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的声学超材料按照图1中A-A’的截面另一种结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的声学超材料所含的吸波微结构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一方面，本实用新型实施例提供了一种具有良好吸声效果的声学超材料。在一实施例中，所述声学超材料包括树脂基体1和若干吸波微结构2，如图1-4所示。

所述树脂基体1用于负载所述吸波微结构2，因此，只要是能够负载所述吸波微结构2的所有所呈现的结构均在本实用新型说明书所公开的范围。在一实施例中，所述树脂基体1结构形状可以根据本实用新型实施例声学超材料具体应用的需要进行灵活设置，如在具体实施例中，所述树脂基体1可以是基板。在具体实施例中,该树脂基体1可以是2-5cm的基板。

另外，只要是能够负载所述吸波微结构2的所有树脂材料所形成的树脂基体1也均在本实用新型说明书所公开的范围。在一实施例中，该树脂基体1材料为选用环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂中的至少一种。所选用的树脂如环氧树脂作为树脂基体1材料，使得本实用新型实施例声学超材料不仅具有优异的力学性能，还具有优异的防腐性能、阻燃性能和防潮等性能，另外，还能方便对所述吸波微结构2进行负载。

声学超材料所含的若干吸波微结构2是嵌入在所述树脂基体1中的，具体的该吸波微结构2可以嵌入在树脂基体1的表面，也可以嵌入在基体1的内部，如图2所示。在优选实施例中，吸波微结构2设置成嵌入在树脂基体1的内部，如图3所示，以提高本实用新型声学超材料的吸声性能的稳定性。

另外，该吸波微结构2在树脂基体1中的分布可以是随机分布，在一实施例中，将所述吸波微结构2按立方晶格结构嵌入在所述树脂基体1内部，以提高声学超材料的吸声效果。其中，立方晶格结构应当理解成本领域常规所述的立方晶格分布结构。

在一实施例中，所述吸波微结构2的结构如图4所示，其为核壳结构，是以金属颗粒21为核体，以弹性体22为壳层并包覆所述金属颗粒21核体。

其中，所述金属颗粒21的粒径可以根据声波的频率进行调节，以实现不同频率的波段进行吸收。在一实施例中，该金属颗粒21的粒径4-10mm。如在一实施例中，将金属颗粒21的粒径控制为4-8mm，所述弹性体22层包覆该粒径范围的金属颗粒21，使得该粒径的金属颗粒21与弹性体22层发生协效作用下，以实现对高频率声波进行吸收。在另一实施例中，将金属颗粒21的粒径控制为6-10mm，所述弹性体22层包覆该粒径范围的金属颗粒21，使得该粒径的金属颗粒21与弹性体22层发生协效作用下，以实现对低频率声波进行吸收。

在进一步实施例中，将所述金属颗粒21包括粒径为6-10的第一金属颗粒和粒径为4-8的第二金属颗粒；且所述第一金属颗粒与第二金属颗粒的数量按照1：(1-2)。所述弹性体22层分别包覆该粒径范围的第一金属颗粒和第二金属颗粒21，将大颗粒粒径和小颗粒粒径的该金属颗粒21进行复配使用，使得该复合粒径的属颗粒21与弹性体22层发生协效作用下，以实现对宽频率声波进行吸收。

在上述各实施例的基础上，所述金属颗粒为铅颗粒、铁颗粒、镍颗粒中的至少一种。

所述弹性体22壳层包覆在所述金属颗粒21核体包面上，形成一具有弹性的缓冲层，当声波传播至弹性体22的时，该弹性体22壳层与金属颗粒21发挥协效作用，以实现对声波吸收起到消声的效果。在一实施例中，弹性体22壳层的厚度控制为2-3mm。通过对弹性体22壳层厚度的控制，使其与不同颗粒的金属颗粒21发生协效作用，提高吸波微结构的吸波效果。在具体实施例中，所述弹性体22选用硅橡胶、氟橡胶中的至少一种。

因此，由上述所述，本实用新型实施例声学超材料所含的吸波微结构2采用弹性体22包覆金属颗粒21，以形成吸波微结构的局部共振单元，使得弹性体22起到吸波的缓冲作用，实现吸声效果。通过对金属颗粒21的粒径和弹性体22层的厚度的控制，实现对吸波微结构2的尺寸控制，使得本实用新型实施例声学超材料能够实现在不同频率处达到等效负质量密度，从而实现不同频率的声波进行吸收。另外，本实用新型实施例声学超材料还能通过对基体材料的控制和选用，赋予本实用新型声学超材料优异的力学性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能。

在一实施例中，上文所述的本实用新型实施例声学超材料可以按照如下制备方法制备。结合附图1-4，本实用新型实施例声学超材料的制备方法包括如下步骤：

步骤S01：在金属颗粒表面形成包覆所述金属颗粒的弹性体；

步骤S02：将若干包覆有所述金属颗粒的弹性体分散至树脂预浸料中，进行固化处理。

具体地，上述步骤S01中的金属颗粒如上文本实用新型声学超材料中所述的金属颗粒21，弹性体也为如上文本实用新型实施例声学超材料中的所述弹性体22，为了节约篇幅，在此不再赘述。在一实施例中，在对金属颗粒表面形成所述弹性体之前还包括对所述金属颗粒的预清洗处理的步骤。所述预清洗处理是为了除去金属颗粒由于加工过程中残留的杂质，或者后续工艺中附上的杂质，以提高后续步骤中工艺处理，如增强弹性体包覆结构的稳定性能。在一实施例中，对所述金属颗粒的预清洗处理是先用稀盐酸洗涤，再用水冲洗。对经预清洗处理后的干燥处理是为了除去预清洗过程中残留的溶剂，如水等。在一实施例中，干燥处理是将经预清洗处理后的金属颗粒于120-150℃干燥1-3小时；

另外，当金属颗粒有不同粒径范围时，为了方便弹性体的形成和进行下述步骤S02中的工艺，在预清洗之前或者干燥处理之后，优选的对所述金属颗粒进行粒径的分类。更优选的是在预清洗之前进行粒径的分类。

在一实施例中，所述弹性体的形成方法如下：

将步骤S01中所述金属颗粒放入模具中，注入弹性体胶液、交联剂和催化剂，在真空环境中进行固化成型处理。

其中，注入弹性体胶液的量是根据固化形成的弹性体层的厚度和金属颗粒的粒径而调整的。在一实施例中，弹性体胶液选自硅橡胶胶液、氟橡胶胶液中的至少一种。在另一实施例中，交联剂选自多烷氧基硅烷、多丁酮肟基硅烷、多乙酰氧基硅烷、多胺基硅烷、多酰胺基硅烷、多异丙烯氧基硅烷、含氢硅油中的至少一种，或进一步的，所述交联剂与弹性体胶液的质量比为(5-30)：100。在又一实施例中，所述催化剂选自有机锡、钛酸酯、胺中的至少一种，或进一步的，所述催化剂与弹性体胶液的质量比为(5-15)：100。通过对弹性体胶液、交联剂和催化剂的种类或进一步对用量的控制，使得弹性体胶液在交联剂和催化剂的作用下，发生分子交联反应生成弹性体，并提高该弹性体与金属颗粒之间的协效作用，以实现对声波吸收起到消声的效果。

上述步骤S02中，将包覆有所述弹性体的金属颗粒分散至树脂预浸料中后，金属颗粒能够在树脂预浸料中均匀分散，从而保证最终制备的声学超材料吸声效果及其性能的稳定性。

将分散有金属颗粒的树脂预浸料的固化处理可能根据树脂预浸料的特性按照常规工艺条件进行固化，优选的在固化处理过程或者之前对树脂预浸料进行真空脱泡处理。在一实施例中，所述脂预浸料中还含有固化剂，并在真空环境中进行固化处理。在一实施例中，树脂预浸料选自选用环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂中的至少一种树脂预浸料。在另一实施例中，固化剂选自乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、二丙烯三胺等中的至少一种，或进一步的，所述固化剂与树脂预浸料的质量比为(10-30)：100。通过对树脂预浸料和第二固化剂的种类或进一步对用量的控制，使得树脂预浸料在第二交联剂和第二催化剂的作用下，发生分子交联反应生成性能稳定的树脂基体。

本实用新型声学超材料采用弹性体直接对金属颗粒进行包覆，从而不仅使得形成的吸波微结构共振单元能够吸声的作用，而且保证了弹性体包覆层的均匀性，提高其良品率，从而提高了制备的声学超材料吸声效果。另外，该方法工艺条件可控，制备的声学超材料性能稳定，而且生产效率高，降低了生产成本。

由于本实用新型实施例声学超材料具有如上述的能够实现不同频率的声波进行吸收特性，而且具有优异的力学性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能，而且其制备方法能够保证其吸声性能的稳定，生产成本低等优点，其可以被广泛的被应用于相关的领域中，如将本实用新型实施例声学超材料应用于汽车发动机、飞行器发动机、潜艇、机械、服务器、飞机座舱、建筑材料中。从而赋予该含有本实用新型声学超材料的设备具有良好的消声特性，降低噪音污染。

另一方面，基于上文所述的声学超材料，本实用新型实施例还提供了一种具有吸声频率宽的装置，所述装置包括声学超材料部件，且所述声学超材料部件为1-7任一所述的声学超材料。由于是采用上文所述的声学超材料作为声学超材料部件。因此，该装置具有对不同频率的声波进行吸收的特性，而且吸收效果好，且声学超材料部件力学性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能好。

现提供多个上述声学超材料实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种声学超材料及其制备方法。本实施例声学超材料的结构如附图1-4所示，其包括环氧树脂基体1和按立方晶格结构嵌入在环氧树脂基体1内的若干吸波微结构2；其中，所述吸波微结构2以金属颗粒21为核体，以弹性体22为壳层并包覆所述金属颗粒21核体，且所述金属颗粒21的直径为10mm的铅颗粒，弹性体22层材料为硅橡胶，厚度控制为2mm。该声学超材料具有在低频处产生负等效质量密度特性。

本实施例声学超材料制备方法如下：

S11：将铅金属颗粒进行筛选出10mm的金属颗粒；

S12：将金属颗粒先用稀盐酸洗涤，再用水冲洗；

S13：烘烤步骤S12中经洗涤后的所述金属颗粒于120-150℃干燥1-3小时；

S14：将步骤S13中经干燥的金属颗粒放入直径为14mm尺寸的铸型模具，注入对应107胶，并加入多烷氧基硅烷交联剂和有机锡催化剂，并抽真空，固化成型，获得图4所示金属心橡胶球；

S15：筛选合格的制备好的铅心橡胶球，并将其按立方晶格结构嵌入在环氧树脂预浸料中；加入乙二胺固化剂，放入真空箱内抽真空，排尽内部气泡，注入模具，固话成型。

实施例2

本实施例提供一种声学超材料及其制备方法。本实施例声学超材料的结构如附图1-4所示，其结构与实施例1中的声学超材料相同，不同之处在于所述金属颗粒21的包括直径为10mm铅颗粒和6mm铁颗粒的混合物，且采用弹性体22层分别包覆10mm铅颗粒和6mm铁颗粒，且弹性体22层的厚度控制为2mm，将两种粒径的吸波微结构2按数量1:1和立方晶格结构嵌入在酚醛树脂基体1内。该声学超材料具有在宽频段吸波特性。

本实施例声学超材料制备方法如下：

S21-S23：按照实施例1中步骤S11-S12分别获得直径为10mm铅颗粒和6mm铁颗粒；

S24将步骤S23中经干燥的直径为10mm铅颗粒放入直径为14mm和6mm铁颗粒放入直径为10mm尺寸的铸型模具，注入对应107胶液，并加入多胺基硅烷交联剂和钛酸酯催化剂，并抽真空，固化成型，获得图4所示铅心橡胶球；

S25：筛选合格的制备好的铅心橡胶球，并将其按数量1:1和立方晶格结构嵌入在酚醛树脂预浸料中；加入乙二胺固化剂，放入真空箱内抽真空，排尽内部气泡，注入模具，固话成型。

实施例3

本实施例提供一种声学超材料及其制备方法。本实施例声学超材料的结构如附图1-4所示，其结构与实施例1中的声学超材料相同，不同之处在于所述金属颗粒21为直径为2mm的镍颗粒，弹性体22层厚度控制为1mm。该声学超材料具有在高频处产生负等效质量密度特性。

该声学超材料具有在宽频段吸波特性。

本实施例声学超材料制备方法如下：

S31-S33：按照实施例1中步骤S11-S12获得直径为2mm的镍颗粒；

S34将步骤S23中经干燥的金属颗粒放入直径为4mm尺寸的铸型模具，注入对应氟橡胶，并加入多异丙烯氧基硅烷交联剂和胺催化剂，并抽真空，固化成型，获得图4所示金属心橡胶球；

S35：筛选合格的制备好的铅心橡胶球，按设计按立方晶格结构嵌入在氰酸酯树脂预浸料中；加入三乙烯四胺固化剂，放入真空箱内抽真空，排尽内部气泡，注入模具，固话成型。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声学超材料，包括树脂基体，其特征在于：在所述树脂基体中嵌有若干吸波微结构，所述吸波微结构为核壳结构；所述核壳结构是以金属颗粒为核体，以弹性体为壳层并包覆所述核体。

2.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述壳层的厚度为2-3mm。

3.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述金属颗粒的粒径为4-10mm。

4.根据权利要求3所述的声学超材料，其特征在于：所述金属颗粒包括粒径为6-10mm的第一金属颗粒和粒径为4-8mm的第二金属颗粒；且所述第一金属颗粒与第二金属颗粒的数量比例按照1：(1-2)。

5.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述金属颗粒为铅颗粒、铁颗粒、镍颗粒中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述吸波微结构是按立方晶格结构嵌入在所述树脂基体内部。

7.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述树脂基体的厚度为2-5cm。

8.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述吸波微结构是嵌入在所述树脂基体的表面或/和嵌入在所述树脂基体的内部。

9.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述树脂基体的树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于：所述弹性体选用硅橡胶、氟橡胶中的至少一种。