多孔金属吸声材料制备及吸声性能研究

摘要：采用吸声材料是治理噪声污染的重要方法之一。本文阐述了金属吸声材料在实际使用中的地位和意义。重点介绍了铝纤维吸声材料和泡沫金属铝吸声材料的制备工艺、吸声特性，并提出了多孔吸声材料的研究发展方向和趋势。

关键词：吸声材料 金属纤维 泡沫金属

0 引言

噪声污染已成为当代环境治理过程中倍受关注的焦点问题，同大气污染和水污染被列为全球三大污染。随着世界经济的快速增长，使得各地得以迅速发展，在给人们提供了良好的生活环境的同时，噪声也对人类造成了巨大的伤害。长时间处于高分贝噪音环境中，会使人们的身心健康受到严重伤害。治理噪声污染已成为当代急需解决的重要课题。

治理噪声污染的主要措施是控制噪声源和采用吸声材料。目前大多数是使用吸声材料进行吸声减噪处理。一般情况下吸声系数大于0.2的被称为吸声材料，按照吸声机理可以分为多孔吸声材料和共振吸声材料，多孔吸声材料具有高频吸声系数大和比重小等特点，但是在低频时吸声系数低；共振吸声材料的低频吸声系数高但加工性能较差[1]。众所周知，目前工程上普遍应用的材料大多为多孔材料，例如矿渣棉、玻璃棉、珍珠岩类这些材料，多孔金属材料相对应用比较少，，但相比多孔非金属材料，具有刚性好、耐热、吸声性能稳定等性能能，使得其越来越受到人们的关注，常见的多孔金属材料有金属纤维和泡沫金属等。

1 金属纤维吸声材料概述

金属纤维材料是一种新型的高效吸声材料，不仅可以在高温高声强条件下作为减振降噪材料，在腐蚀恶劣的氧化环境下，吸声性能也比较好。常见的金属纤维材料主要有铝纤维，钢铁纤维。

1.1金属纤维的制造方法

制作金属纤维的方法有许多，大体上分为切削法，熔抽法和拉拔法[2]。

切削法是以固态金属为原料，用刀具切削成纤维屑，该方法生产周期短，成本低但难以得到截面光滑的长纤维。

熔抽法的基本原理是将金属加熱到熔融状态，在液态金属的底部安装一个可调节流体速度的小孔，给液面施加压力强迫金属液迅速喷出，然后采用化学活性激冷剂或磁场来稳定液流，促进其凝固成金属纤维。

拉拔法可以分为单线拉拔和集束拉拔。单线拉拔出来的产品表面光滑，尺寸精确，适用于某些特定领域；用集束拉拔可以降低产品生产成本，但因其表面质量和拉拔直径难以得到控制。熔抽法和切削法制得的纤维在市场上应用比较广泛。

1.2金属纤维的吸声特性

金属纤维是一种吸声性能优良的吸声材料，尤其在中高频时性能更佳。对于高温水气等恶劣条件下，吸收以中高频为主的噪声时吸声效果较为理想。其中应用最为广泛的是铝纤维，这是因为铝纤维材料密度小，用量小，耐蚀性强，易操作，和其他金属纤维相比优势明显，可以作为吸声减噪较好的材料。铝纤维在应用过程中，制成铝纤维吸声板。铝纤维板背后的空腔深度对吸声效果影响很大，当没有空腔即与壁面贴实时，铝板的吸声系数小于0.2，几乎不起吸声效果。随着空腔厚度的增加，铝板共振吸声峰频率向低频移动，其低频吸声性能显著提高[3]。当空腔保持一定时，不同面密度的铝板在低频段的吸声效果比较相近，低频时没有吸声作用，随着面密度的增加，铝纤维板的吸声效果越来越好。正是其拥有一系列优异性能，使得该材料成为当今时代一个重要研究的领域。

2 泡沫金属材料概述

泡沫金属指含有泡沫气孔的特种金属材料，是随着人类科技逐步发展起来的新型复合材料，拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好及能够吸收电磁波等一系列优点[4]，目前泡沫金属研究已经涉及到的金属有Al、Ni、Cu、Mg等，其中研究最多的是泡沫铝及其合金[5]。

2.1泡沫金属的制备方法

伴随着泡沫金属的研究，目前的制备方法可以分为直接法和间接法两种。所谓直接法，就是利用发泡剂直接在熔融金属中发泡。间接法是以高分子发泡材料为基材，采用沉积法或喷溅法使之金属化，然后加热脱出基材并烧结[4]。

工业生产应用最广泛的通过渗流铸造法来生产泡沫铝，这种方法一般制备铝、镁、铅等金属，该方法采用无机或有机颗粒作为填料粒子，将填料粒子放在金属模具内，在一定压力下压制成坯块。然后进行预热，通过上压、负压等方法，使金属液完全渗入填料粒子间隙内，冷却好后把填料粒子剔除遍可得到泡沫金属[6]。

2.2泡沫金属的吸声特性

泡沫金属是由连续的呈三维网状结构的金属骨架与相互连续贯通、分布均匀的微孔所组成，在每个孔的周围均匀分布着一定数目的微孔，这种结构能够让声能一旦透入材料内部，尤似进入迷宫，经过几次折射后将能量耗完，所以它有较大的吸声系数。

以泡沫铝为例，王芳，王录才[7]等人测得不同孔隙率的泡沫铝吸声性能不同，孔隙率大的泡沫铝吸声性能明显好于孔隙率小的泡沫铝。程桂萍，陈宏灯[8]等人研究发现，随着孔隙率的不断增加，泡沫铝的吸声系数先增加后减小，当孔隙率达到75%时吸声系数最大。王斌，何德坪[9]等人将泡沫Al-7Si-0.45Mg压缩加工后测其吸声系数，其吸声系数明显提高。陆晓军，黄晓峰[10]等人对不同孔径大小的泡沫铝板的吸声吸能进行了分析，在500Hz以上时吸声系数随着孔径的减小而增大。并且将不同孔径大小的泡沫铝板组合后，吸声系数提高。随着气孔均匀分布、孔径缩小、孔隙率提高，泡沫铝在各频段的吸声系数均有明显提高。如今泡沫铝已经成功应用于火车发动机房、声频室、施工现场等领域，并取得了非常好的效果[5]。

3 未来研究展望

随着人们对噪声污染的关注和重视程度的增加，多孔吸声材料已广泛用于吸声降噪领域。各类吸声材料，各具特色和使用价值，多孔材料在高频时有比较好的吸声效果，但在中低频时吸声效果不佳。未来吸声材料发展的趋势应是如何采用新方法、新材料、新工艺来最大程度的实现吸声材料吸声性能的提高，并且根据不同的场合需求设计出适合的吸声材料。

参考文献：

[1] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002：395.

[2] 刘古田.金属纤维综述[J] .稀有金属材料科学与工程，1994，23（1）：7-8.

[3] 马建敏，催喆等.金属纤维材料吸声特性的试验研究[J]. 机械科学与技术，2000，19（3）：449.

[4] 陈祥，李言祥.金属泡沫材料研究进展[J]. 材料导报，2003，17（5）：5.

[5] 齐共金，杨盛良，赵恂，.泡沫吸声材料的研究进展[J]. 材料开发与应用，2002，17（5）：40-41.

[6] 蔡振武，张振等.通孔泡沫铝的制备方法和性能[J]. 上海金属，2013，35（5）：53-54.

[7]王芳，王录才等.泡沫金属的研究与发展[J].铸造设备研究，2000，（3）：48-51.

[8] 程桂萍，陈宏灯等.多孔铝的声学性能[J]. 东南大学学报，1998，29（6）：172.

[9] 王斌，何德坪等. 泡沫铝合金的压缩性能、流通能力及声学性能[J]. 东南大学学报，1998，28（4）：136.

[10]陆晓军，黄晓峰等.泡沫铝板组合与配置对吸声特性的影响[J].吉林工业大学自然科学学报，1999，29（96）：48-51.

作者简介：

张磊 （1995.12--） 性别，男，陕西西安人，本科在读.endprint