智能磁性泡沫聚合物的非线性可调控吸声机理研究

Conventional foam materials used as passive sound and vibration absorbers are limited in narrow band applications and less efficient in reducing sound propagation at low frequencies. The realization of sound absorption in a wide range of frequencies for passive techniques is a challenge task because they are lacking of active response capacities. The proposed magnetic polymeric foam may provide a solution. Since the proposed magnetic foam is capable of changing its mechanical and physical properties under a magnetic field due to the coupling effects of the changes in pores and shapes, it is able to actively control sound propagations over a wide range of frequencies. This project will systemically investigate the nonlinear mechanical and acoustic properties of magnetic foam, and develop a multi-scale theoretical model and magneto-mechanical coupling method to explore the relationship of the field-induced porous structures and acoustic properties. Experiment will be performed to verify the theoretical model, and provide a quantitative method to optimize the structures of the magnetic foam including pore sizes, porosities, and particle chains . The goal of this study is to reveal the tunable acoustic mechanism of the proposed magnetic foam with the relationship of its tunable micro porous structures. This research will create a new smart magnetic foam as well as a nonlinear analysis method for the magnetic foam in vibration and sound control. The proposed magnetic foam will be able to control sound propagation at a low frequency without contact stimuli. It will provide a new way to develop a new generation of acoustic materials and devices for active control of sound and vibration for a large frequncy range.

传统的被动吸声泡沫材料存在低频失效、吸声频域较窄等局限性，实现广谱吸收的难点是难以实现对振动频域的主动响应。智能磁性泡沫聚合物具有物理结构与力学性能的实时可调控性，通过微孔隙构造与宏观拓扑形态在磁场下发生耦合作用，实现对声波的宽频域主动控制。课题将系统研究智能磁性泡沫聚合物的非线性力学及声学特性，发展多尺度建模和力-磁耦合理论分析方法，探索磁场诱导的可变空隙结构与声传播机制的关系，建立并验证智能磁性泡沫聚合物材料的非线性可调控吸声理论模型，优化磁性泡沫材料的微观结构：孔隙尺寸、空隙率、磁颗粒链等量化参数，揭示主动可调微孔结构的磁性泡沫聚合物智能吸声的机理，应用物理设计和化学合成的综合方式优化磁性泡沫材料的性能，研制智能可控吸声减振器件。课题的研究将创新构建新型磁性泡沫聚合物材料的非线性吸声理论分析与制备方法，实现无接触宽频域控制，为新一代智能主动吸声材料及器件的开发提供新途径。

传统的泡沫聚合物诸如聚氨酯泡沫等广泛应用于飞机、车辆和许多其他设施中的噪声控制，但存在低频失效、吸振频域较窄等局限性。本项目基于先进材料设计的新思维，提出用物理设计和化学合成的方式综合制备多功能磁性泡沫复合材料；通过理论分析、技术创新与关键技术突破，在多尺度结构上对传统的吸声泡沫材料进行内部的设计与优化；利用磁场调控磁性泡沫的孔隙结构和尺寸，以及材料的粘弹性能，并将这两种特征结合，克服传统泡沫材料在吸声减振上的局限性，实现对宽带低频振动的主动或半主动控制。主要研究内容如下：.1） 从多尺度角度对添加磁颗粒的聚合物复合材料进行研究，分析磁颗粒链在复合材料中的本构关系，考察零场拉伸模量对复合材料磁致拉伸模量的影响，提出一种考虑拉伸模量各向异性的计算方法—磁致应力法，并利用该方法计算不同磁颗粒含量和不同磁化强度下垂直和平行于链状结构方向的拉伸模量；.2） 利用理论解析的方法，对微米级磁颗粒增强聚合物在无磁场和有磁场条件下力学性能进行研究，分析磁颗粒链在复合材料中的本构关系，建立磁敏复合材料单自由度缓冲系统模型；.3）通过建立的理论模型和经验模型对材料的声学特性进行分析，并完成模型的参数识别。.4）实验探索了磁性聚氨酯泡沫（MPUFs）材料的制备原理和工艺，系统研究了材料组成、磁颗粒含量和外加磁场大小对磁性聚氨酯泡沫的力学及声学行为的影响。.重要的实验结果：与各向同性MPUFs相比，各向异性MPUFs低频吸声性能更优，64-1000Hz内平均吸声系数最大能提高37%。羰基铁粉的加入，使MPUFs平均孔径减小，孔径对数分布标准差增加，开孔率提高和低频吸声性能得到提高，特别是低于500Hz部分；当聚醚多元醇与异氰酸酯比例为100:60，羰基铁粉含量为5wt%时，MPUFs的低频吸声性能最优，其64-1000Hz范围内的平均吸声系数达到0.48。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。