海水老化下类填充微穿孔板结构水下吸声材料的性能及其寿命预测

针对现阶段潜艇用水下吸声材料的低厚度强低频吸声的性能诉求,基于三维间隔织物,将兼具多孔和共振吸声特性的类填充微穿孔板(F-MPPL)结构引入常规空心微珠填充水下吸声材料(HBF复合材料)中,设计出新型三相复合水下吸声材料(F-MPPL复合材料)。鉴于海中复杂环境对水下吸声材料声学性能的影响,采用人工海水浸泡的方法对F-MPPL复合材料进行海水老化,结果发现老化12个月后的F-MPPL复合材料平均吸声系数下降了13.6%。同时,基于海水老化下孔隙率和穿孔率的变化对最终宏观模型仿真结果的影响,对F-MPPL复合材料的水下吸声性能寿命进行预测发现,模型可准确预测材料吸声峰值的位置,但对材料吸声系数峰值的大小预测稍有偏差。研究结果可为各类水下吸声材料的吸声性能老化研究提供实践经验,并为F-MPPL结构在海水老化下的长期寿命预测及性能优化提供理论参考。

水下吸声机理与吸声材料

随着我国加速实施海洋强国战略,对先进水下吸声材料的需求日益迫切.与空气吸声不同,水下的高静水压力和复杂的海洋环境对水下吸声材料提出了更为苛刻的要求.吸声问题的本质是如何将弹性能高效地转化为热能或其他形式能量.本文综述了主要以聚合物分子内摩擦机制及界面耗能机制为基础的传统水下吸声材料.传统水下吸声材料面临的主要是其在低频及高静水压力下吸声性能差的问题.这是因为:一方面受质量密度定律的限制,有限厚度的水下吸声材料无法有效吸收水中传来的低频声波;另一方面,在高静水压力下,弹性材料如高分子聚合物会变"硬",从而大大降低了声波弹性能的转换效率.随着局域共振理论及超材料概念的提出,发展出了一系列新型水下吸声材料,为解决水下吸声材料遇到的难题提供了新思路.局域共振理论的特点是可以用小尺度结构控制长波声波的传播,从而可以解决低频吸声问题.本文重点综述了局域共振理论,以及由此发展出的声子木堆、声子玻璃等新型水下吸声材料.声子玻璃材料在局域共振理论基础上,通过引入多孔金属骨架结构提高了材料的抗压性能,从而解决了高静水压力下材料吸声性能变差的问题.本文最后对水下吸声材料未来发展方向进行了展望.

间隔织物/聚氨酯水声材料的海水老化研究

潜艇已成为现代水下作战的重要工具,其水下隐身性能主要依靠各类水下吸声材料所实现。将经编间隔织物实现的类填充微穿孔板结构水下吸声材料(WKSF-SF水下吸声材料)和空心微珠填充水下吸声材料(SF水下吸声材料)在人工海水环境下浸泡1年后,研究了海水老化对其压缩性能和水下吸声性能的影响规律。结果表明,WKSF-SF水下吸声材料受海水老化后,压缩强度和水下吸声系数均随浸泡时间逐渐下降,且在0~4个月下降较快。这是因为聚氨酯基体多孔结构的破坏、空心玻璃微珠表面点状腐蚀以及复合材料各界面之间的脱粘共同造成的结果。

聚氨酯弹性体的合成和水下声学性能

用甲苯-2,4-二异氰酸酯(2,4-TDI)、聚醚二醇(PPO)和3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷(MOCA)等原料合成了聚氨酯弹性体,在脉冲声管中测试了合成试样的声压反射系数和吸声系数,研究了合成工艺参数对其水下声学性能的影响。测试结果表明,TDI-PPO-MOCA合成型聚氨酯弹性体是一种良好的水下吸声材料,其吸声性能受到固化温度,扩链剂含量等参数的影响。加入填料和改变其结构可以进一步改善聚氨酯弹性体的水下声学性能,因此合理地设计实验工艺参数,可以得到水下声学性能更佳的聚氨酯弹性体。为工业生产提供了理论参考。

环氧树脂-玻璃微珠多孔复合材料的水声性能

为提高薄板吸声材料的吸声性能,用改性环氧树脂和空心玻璃微珠等原料合成了25mm厚环氧树脂-玻璃微珠多孔复合材料,在脉冲声管中测试了合成材料试样的声压反射系数和吸声系数,研究了合成工艺参数对其水下声学性能的影响。测试结果表明:环氧树脂-玻璃微珠多孔复合材料是一种良好的水下吸声材料,其吸声性能受到空心玻璃微珠的种类及其含量和固化剂种类等参数的影响。制备了填充多种空心玻璃微珠低频吸声性能良好的环氧树脂-玻璃微珠声学材料。合理地设计实验工艺参数,可以得到水下声学性能更佳的环氧树脂-玻璃微珠多孔复合材料。

填料及空腔对聚氨酯弹性体夹芯复合结构水声性能的影响

为提高薄板均质吸声材料低频段的吸声性能,文中采用甲苯-2,4-二异氰酸酯(2,4-TDI)、聚醚二醇(PPG)和3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)等原料合成了25mm厚聚氨酯弹性体,对其进行填料改性和开空腔设计,并考虑到实用性,制备了聚氨酯弹性体夹芯复合结构的声学试件,在脉冲声管中测试了其反射系数和吸声系数,结果表明,云母填料改性和开空腔可以改善聚氨酯弹性体的低频吸声性能,其吸声性能还受到填料尺寸、空腔形状和空腔个数等参数的影响,因此合理地设计实验工艺参数,可以得到水下声学性能更佳的聚氨酯弹性体夹芯材料,为进一步研究水下吸声材料和吸声结构提供了理论参考。

聚合物的水声吸收数学模型与实验研究

以声波在高分子介质中的传播理论为依据,应用阻抗匹配法,推导出了材料的水下吸声的数学模型,为对该模型进行实验验证,设计合成了一系列声速和声衰减系数不同的聚合物,测试了它们的水下吸声系数、声速和声衰减系数,并用理论计算结果与测试结果对比,发现理论计算得到的水声材料的吸声系数与实测值非常接近,表明该数学模型可以较准确地预测材料的水声吸声性能,指导水声吸声材料的设计。

聚氨酯的合成及水声性能

用甲苯-2,4-二异氰酸酯(2,4-TDI)、聚丙二醇(PPG)等原料合成了聚氨酯预聚体,以3,3-二氯-4,4-二氨基二苯甲烷(MOCA)、三羟甲基丙烷(TMP)为扩链剂合成了聚氨酯,在脉冲声管中测试了合成试样的声压反射系数和吸声系数,研究了不同扩链剂及不同含量的2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)对其水下声学性能的影响。测试结果表明:TDI-PPG-MOCA合成型聚氨酯是一种良好的水下透声材料,TDI-PPG-TMP合成型聚氨酯是一种良好的水下吸声材料;BHT的加入对TDI-PPG-TMP合成型聚氨酯的水下吸声性能有显著提高,因此合理地设计实验工艺参数,可以得到水下声学性能更佳的聚氨酯。