专利名称：用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法、金属纤维多孔材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于噪声控制的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法，属于吸声材料设计加工技术领域。
背景技术：
全可听见声谱(20 20000Hz)频率下获得较高的材料吸声系数往往难以实现，甚至不可能。而且实际工程上所关心的噪声和振动往往是某一(或几个)固定频率或者某一段(或几段)特定频率范围。因此，开发一种对特定频率或频率范围的噪音具有高吸收性能的材料具有更重要的实践意义。研究发现，多孔材料的微通道结构对声波具有粘滞作用，这种粘滞作用在宏观上表现为声阻。利用这一性质研制的多孔吸声材料在航空航天、汽车、轨道交通等方面具有十分广泛的应用需求。金属纤维多孔材料因其特殊的几何结构和物理属性，使其具有高吸声、轻质、高强度、耐高温等多种性能。相比于非金属类多孔材料(如玻璃纤维多孔材料、高分子泡沫)，金属纤维多孔材料在极端的环境下(如高温、高压、高湿度等)在吸声性能方面具有明显优势。金属纤维多孔材料的性质与其微观结构存在密切的联系，通过调整金属纤维多孔材料的纤维直径和孔隙率可以有效改善材料的吸声性能。目前，还未形成一种行之有效的金属纤维多孔材料微观构型设计方法，金属纤维多孔吸声材料的设计仍然以试制为主，即通过不断实验的办法来寻找材料的微观结构形式，难以使材料在特定频段内的吸声性能达到最优，并且存在成本高昂和材料吸声性能低的弱点。中国专利CN101740022A“一种金属纤维梯度孔吸声材料及其制备方法”，采用多层不同孔隙率的金属材料叠加的方式来实现吸声材料性能的提高，但并未给出最佳孔隙率的计算方法。综合分析发现，困扰金属纤维多孔材料吸声性能提升的最大障碍在于缺乏一种行之有效的金属纤维多孔材料微观构型设计方法来确定材料的最佳孔隙率，使材料在特定频段内具有最闻吸声效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的不足，提供一种在特定频段下具有高吸声性能的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法。实际使用过程中，金属纤维多孔材料在不同的声音频率下具有不同的吸声系数，在材料厚度一定的情况下，要改善某一特定频段下的吸声性能，可以通过改变金属纤维多孔材料的纤维直径和孔隙率来实现，并且当纤维直径一定时，通过调整孔隙率可以实现金属纤维多孔材料在某一特定频段下具备最佳的吸声性能。
本发明的设计思想为通过声学分析模型建立金属纤维多孔材料的吸声性能与材料微结构几何特性(纤维直径、孔隙率)之间的关系；通过优化算法获得金属纤维多孔材料在一定的纤维直径时在特定频段下具有最大吸声性能的最佳孔隙率，由此建立特定频段下金属纤维多孔材料纤维直径与最佳孔隙率之间的关系(以表达式或曲线的形式表示)；当纤维直径尺寸固定的情况下，根据建立的表达式或曲线，可以快速获知该纤维直径所对应的最佳孔隙率，从而容易确定金属纤维多孔材料的构型，获得在所需要的声音吸收频段下具有最大吸声性能的金属纤维多孔材料(这是本发明的核心)。具体而言，本发明的设计方法是一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法，所述金属纤维多孔材料是由金属纤维压缩而形成的具有特定孔隙率的材料，其特征在于，所述金属纤维多孔材料的最佳孔隙率与纤维直径满足关系式(I):
权利要求
1.一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法，所述金属纤维多孔材料是由金属纤维压缩而形成的具有特定孔隙率的材料，其特征在于，所述金属纤维多孔材料的最佳孔隙率与纤维直径满足关系式(I)
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，式(8)中，D和Φ的取值范围分别为D=I 100 μ m，Φ=0. 01 I。
3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，所述金属纤维多孔材料的材质为不锈钢、铝、铜、钛或铁铬铝合金。
4.一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料，其特征在于，其是由权利要求1-3中任意一项所述的设计方法设计得到的金属纤维多孔材料。
5.根据权利要求4所述的金属纤维多孔材料，其特征在于，若金属纤维多孔材料厚度为25mm，材料的最佳孔隙率与纤维直径在不同声音频段时分别满足如下各关系式，在20 500Hz低频段声音时满足关系式(9)φ；ρ' = OA2e^msD + Ο.6β_,,·00055ζ>( 9 )在大于500 2000Hz中频段声音时满足关系式(10)ΦΤ 二0.38i^_ +0.64e-0嶋(10)在大于2000 15000Hz高频段声音时满足关系式(11)
6.一种用于制备权利要求4或5所述的金属纤维多孔材料的方法,其特征在于,包括如下步骤(1)制备金属纤维将熔融后的纯净金属液加压喷射，冷却至室温成型，制成金属纤维；(2)铺设金属纤维多孔结构将金属纤维均匀剪切成段，之后采用无纺铺毡机或手工方式铺设成表面光滑的高孔隙率块状金属纤维多孔结构；(3)压缩定型采用压制设备对金属纤维多孔结构进行压制和平整，并根据最佳孔隙率与纤维直径之间的匹配关系控制压缩量以得到所需的孔隙率；(4)高温烧结采用真空烧结炉在1350°C对压缩成型的金属纤维多孔结构进行高温烧结，得到金属纤维多孔材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，沿金属纤维多孔结构的宽度方向实施所述压制，使压缩成型的金属纤维多孔结构的宽度d满足关系式(12)
全文摘要
本发明提供了一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法。在所述设计方法中，金属纤维多孔材料的孔隙率与纤维直径满足下述关系式式中，φopt为最佳孔隙率，D为纤维直径，x1、x2、x3和x4为常系数，随金属纤维多孔材料厚度和声音频率的不同而不同，通过优化方法计算若干数据点获得。在噪声频段和纤维直径确定的情况下，借助本发明所提出的设计方法，就可以获得具有高效吸声性能的金属纤维多孔材料最佳孔隙率。由该设计方法得到的金属纤维多孔材料能够满足特定频段的吸声需求，可广泛用于轨道交通、航空航天、汽车、机械加工及实验场所噪声控制。
文档编号C22C1/08GK103031461SQ20121056798
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者刘书田, 陈文炯, 张永存 申请人:大连理工大学