高分子微粒声学材料的制备、性能及声学机理研究

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1、四川大学工学博士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在四川天学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。学位论文作者签名．阑～芝指导琴签当：童谴2007年5月一。四川大学工学博士学位论文高分子微粒声学材料的制备、

2、性能及声学机理研究材料学专业博士研究生周洪导师黄光速教授摘要材料是工程和高科技发展的基础，而作为材料领域后起之秀的高分子材料带来了材料及工程领域的重大变革。高分子微粒声学材料的制备、性能及声学机理研究，是本文提出的涉及颗粒声学材料和应用声学发展的创新思路，开展对它的研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本文从材料声学特性的角度，将声学基础理论和材料结构密切联系，利用高分子材料多层次结构及性能的多样性，对其进行分子设计和材料设计，系统地研究了高分子微粒材料的声学性能与结构的关系，制备了新型高效的高分子微粒复合吸声材料。本文首先研

3、究了用于声学材料的高分子微粒的制备方法及结构控制方法，为研究高分子微粒声学材料提供了具有不同微观结构(孔隙率和表面形貌)的高分子微粒。通过分子设计，以含不饱和双键的聚氨酯预聚体PUA／IPUA为助剂，在反应单体的水．油．水(W／O／W)体系中，利用反相悬浮聚合制得了聚甲基丙烯酸甲酯／丙烯酸乙酯(PMMA／BA)多孔，中空微粒。运用光学显微镜、电导仪、比表面仪和扫描电镜(SEM)等手段对微粒形成过程以及形态特征的表征分析，揭示了微粒多孔／中空结构的形成机制：基团推动机制(GDM)。实验结果表明，含不饱和双键的聚氨酯预聚体PUA／I

4、PUA的加入和体系的相演变过程对高分子微粒多孔冲空结构的形成具有决定性的作用。另一条合成路线，从缩聚型单体出发，通过水溶性酚醛树脂O／W／O体系的悬浮聚合，制备了具有多孔，中空结构的酚醛树脂微粒。通过追踪反应过程发现，酚醛树脂的固化过程决定了微粒的最终结构，使缛微粒具有典型的双分散的孔隙结构。通过体系配比的变化，可以获得具有不同多孔或中空结构的酚醛树脂四川大学工学博士学位论文微粒。首次以PUA期IPUA体系制备的具有不同孔隙结构的PMMA／BA多孑U中空微粒以及酚醛树脂多孔冲空微粒等为研究对象，通过实验获得微粒材料的特征声阻抗和

5、传播常数，探讨并研究了高分子微粒的声学特性和吸声性能。研究表明，相对于传统的多孔吸声材料，PMMA／BA多孔／中空微粒在低频范围内具有高的声能耗散能力，而具有致密表面的酚醛树脂多孔／中空微粒，由于不具有显著的亥姆霍兹共振腔效应和粘滞效应，吸声能力相对较差。另一方面，不具有这些效应的酚醛树脂多孔，中空微粒，能够最大程度地表现出高分子微粒材料在声波作用下的振动特性，从两揭示出高分子微粒材料的低频共振吸声机制。为了深入研究高分子微粒材料的声学特性，和深刻理解相关的声学机制，依据牛顿第二定律、接触力定律和运动方程，系统分析高分子微粒在声

6、场中的受力及颗粒速度等动力学特征，建立了高分子微粒的离散元(DEM)模型。用MATLAB语言编写了相应的程序，并对其进行仿真研究。研究结果表明：1)颗粒的转动是引起摩擦，导致其产生无规运动的原因；而颗粒平动速度的大小主要影响颗粒的粘滞耗能。颗粒的密度和粒径减小，刚度增加使颗粒体系能量耗散在较低的频率出现峰值，而峰宽变窄。2)高分子微粒群作为吸声单元，其吸声功能可以看成高分子微粒与空气间相互作用及微粒问的相互运动两部分耗散能量的集合，而微观上高分子微粒的相互运动耗散能量是颗粒受冲击、挤压及摩擦作用产生的结果，离分子微粒在这样的过程

7、中实现对声能的耗散。3)离散元模型模拟结果可较好的吻合颗粒材料的吸声特性和解释、预测新材料的吸声性能。所建立的DEM模型的优势在于，模型中的输入参数可以根据实际或设计的微粒特征进行交化。这就有助于将模型广泛地应用于商分子微粒材料吸声性能的预测和研究，建立物理参数间的可靠联系，从而探寻微粒材料的吸声机制，为设计和优化高分子微粒吸声材料提供必要的反馈。4)通过专门设计的振动和声学实验，通过外场激励下高分子微粒的振动加速度的传递函数，研究高分子微粒的低频声学响应行为，获得与仿真模拟一致的结论。依据阻抗匹配以及梯度渐进等相关声学原理，对

8、高分子微粒吸声材料的组装以及性能进行了设计和研究。结果表明，单匹配层微粒材料能够有效地解决单层微粒材料特征阻抗和空气阻抗不匹配的问题，使得单匹配层微粒材料的整体吸声性能较单层微粒材料有一定的提高。但匹配层和耗散层的阻抗差异的明2四川大学工学博士学位论文显存在，导