磁场作用下磁性聚氨酯泡沫的力学和吸声性能分析

使用实验室自主研制的磁场设备,以添加了羰基铁粉的磁性聚氨酯泡沫为对象,研究磁场对磁性泡沫力学性能和低频吸声性能的影响,探寻智能磁性泡沫聚合物吸声性能和力学性能的可调性。首先采用一步全水发泡法,制备了质量分数为80%(质量分数)的各项异性与各向同性的磁性聚氨酯泡沫。接着基于美国TA流变仪,在交变的磁场作用下,测量这两种泡沫储能模量的变化。基于传递函数法,利用双通道阻抗管,测量在不同强度磁场下两种泡沫的吸声性能。实验结果发现,磁场的施加对各向异性与各向同性磁性聚氨酯泡沫的吸声性能影响有限,但其储能模量会随着磁场大小的绝对值增加而逐渐增加,经过时长为500 s,最大周期为0.5 T的交变磁场作用,各向同性聚氨酯泡沫的储能模量上升了14.6%,各项异性的上升了15.8%,这意味着磁场会增加磁性粒子短链之间的应力传递。

磁性聚氨酯泡沫的微观结构及宏观力学和声学性能

采用一步全水发泡法制备添加磁性颗粒(羰基铁粉)的聚氨酯泡沫。在发泡过程中施加150mT的磁场,磁颗粒沿着外加磁场方向排列成链状有序结构,得到各向异性磁性聚氨酯泡沫(magneticpolyurethanefoams,MPFs)。磁性颗粒链结构的形成影响MPFs的微观形貌及宏观力学和声学性能。通过扫描电镜(SEM)观测MPFs的表面形貌及颗粒链结构,利用ImagePro-plus软件和统计学方法分析MPFs的微观尺寸、开孔率和闭孔率;通过电子万能试验机测定MPFs的压缩力学性能,并利用阻抗管和传递函数法测试64~6300Hz范围内MPFs的吸声性能。研究结果表明,与各向同性MPFs相比,各向异性MPFs的孔腔和泡孔直径变大,骨架长度和厚度增大,开孔率降低,闭孔率增大,流阻率减小;各向异性MPFs平行于颗粒链方向的压缩模量大于垂直于颗粒链方向的压缩模量;各向异性MPFs低频吸声性能更优,64~1000Hz内平均吸声系数最大提高了37%。

激励磁场和铁粉含量对磁性聚氨酯泡沫吸声性能的影响

添加了磁性颗粒的新型聚氨酯泡沫因其既具有泡沫材料优良的吸声性能又具备智能材料的可调可控的特点,成为多功能声学材料领域新的研究热点。磁性聚氨酯泡沫的吸声特性与其制备原料和制备条件有密切的关系,然而关于铁粉含量和激励磁场对材料吸声性能的影响目前尚无一致且完整的结论。制备了50、100、150和200 mT等4种不同激励磁场条件下,分别添加15%、40%和80%(质量分数)等3种不同羟基铁粉质量百分数的10种磁性聚氨酯泡沫试样。旨在研究激励磁场强度和铁粉含量等制备条件对磁性聚氨酯泡沫吸声性能的影响。利用阻抗管通过传递函数法实验测试得到了各试样在64~1600 Hz频率范围内的吸声系数曲线。结果表明增加铁粉含量在总体上提高了测试频段内的吸声系数,而激励磁场的增加会导致吸声系数曲线右移,并且提高吸声系数的峰值。铁粉含量和激励磁场强度综合影响磁性泡沫的吸声性能,磁性聚氨酯泡沫的吸声系数频率特性可根据应用需求进行设计。

各向异性不同含量羟基铁粉颗粒/磁性聚氨酯泡沫的可控力学和声学性能

聚氨酯泡沫(PUFs)被广泛应用于飞机、车辆和许多其他设施中的噪声控制。本文研究的磁性聚氨酯泡沫(MPUFs)是一种新型智能泡沫,其力学和声学特性可通过磁场控制。采用一步全水法制备了添加羟基铁粉颗粒的磁性聚氨酯泡沫(CIPs/MPUFs),在发泡过程中施加一定强度的磁场,磁颗粒沿着外加磁场方向排列成链状有序结构,得到各向异性磁性泡沫。在外加磁场作用下,CIPs/MPUFs内部磁性颗粒发生迁移,材料的力学和声学性能发生改变。实验研究了外加磁场对CIPs/MPUFs力学性能和吸声性能的影响。实验结果表明:在外加磁场条件下,CIPs/MPUFs的储能模量和损耗模量随磁性颗粒含量的增加而增加;CIPs/MPUFs的平均吸声系数变化幅度在1%~7%之间,当颗粒含量为5wt%、制备磁场为200 mT、测试施加1.5 A电流时,CIPs/MPUFs的平均吸声系数增加幅度最大,为6.5%。

添加羰基铁粉的聚氨酯泡沫特征参数辨识及低频吸声性能研究

探究羰基铁粉添加和聚醚多元醇与异氰酸酯不同比例对聚氨酯泡沫的物理特征参数和低频吸声性能的影响,旨在改善传统聚氨酯泡沫的低频吸声效果.首先基于JCA(Johnson-Champoux-Allard)模型,采用最小二乘法估算磁性聚氨酯泡沫的物理特征参数(流阻率、孔隙率、曲折率、黏性特征长度、热性特征长度),同时基于传递函数法,利用双通道阻抗管,测量聚氨酯/磁性聚氨酯泡沫在64~1600 Hz的吸声性能.结果表明,相同比例聚醚多元醇与异氰酸酯的聚氨酯/磁性聚氨酯泡沫,羰基铁粉的加入会明显改变聚氨酯泡沫的特征参数,其中流阻率和孔隙率均增加,增加范围分别为82.9%~211.3%和0.8%~5.3%,曲折率降低范围为32.7%~74.5%,黏性特征长度降低范围为81.4%~94.0%,但热性特征长度无明显变化.同时在64~500 Hz范围内的低频吸声性能均显著改善,特别是聚醚多元醇与异氰酸酯比例为100:60时,因加入羰基铁粉,使得磁性聚氨酯泡沫与聚氨酯泡沫相比,其低频吸声性能能够提高64%.该新型智能磁性聚氨酯泡沫有望通过调整特征参数来满足不同频段吸声的功能需求,可对智能吸声降噪器件的优化设计提供一定的参考价值.