基于FE-SEA混合法的喷涂式阻尼铝板隔声性能研究
【国家自然科学基金】_隔声_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
推荐指数 5 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 6 5 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011-11-29译文 ASNZS 1664.1-1997
强度极限状态的作用力、力矩和应力应根据2.4条款限定的系数荷载的结构分析确定。正常使用极限状态的挠度应根据非系数荷载计算。
2.3负载：结构的载荷应该符合AS 1170 (澳大利亚标准)的可适用部分或NZS 4203（新西兰标准）的可适用部分。
1391-金属拉伸试验方法；
澳大利亚标准/新西兰标准
1664铝结构
1664.1附录1：极限状态设计——注释
1664.2第二部分：容许应力设计
澳大利亚标准
1665铝结构焊接
1734铝和铝合金--平薄板、薄板卷和板材
(新西兰采用的标准名称为NZS/AS 1734)；
PDF8
澳大利亚标准1664.1:1997
fb=横向载荷或弯矩或横向载荷和弯矩产生的最大弯曲应力；
fs=扭转或横向剪切载荷造成的切应力
Fa=符合第3.4.8~3.4.11条，视为轴向载荷柱构件的极限状态压缩应力ΦFL；
Fao=根据4.7.2条款，视为短柱的轴向载荷构件的极限状态压缩应力ΦFL；
Fb=仅受弯曲作用的构件的极限状态弯曲应力ΦFL；
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澳大利亚标准1664.1:1997
澳大利亚/新西兰标准®
铝结构
第一部分：极限状态设计
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澳大利亚标准1664.1:1997
澳大利亚/新西兰标准是由联合技术委员会BD/50制定的铝焊接标准。1997年6月27日以澳大利亚标准委员会的名义通过，1997年9月5日以新西兰标准委员会的名义通过。
4.10弹性支撑法兰受压
第五部分机械连接
5.1螺栓和铆钉连接
5.2金属骑马钉
5.3自攻螺栓连接
层合复合材料隔声性能有限元分析
收稿日期:2001-8-23基金项目:国家军工项目资助.作者简介:孙卫青(1978- ),男,硕士生,主要从事金属基复合材料的研究.层合复合材料隔声性能有限元分析孙卫青, 邱宗玺, 张 恒, 张 军(郑州大学机械工程学院 郑州450052)摘 要:层合复合材料的多层界面能够引起声波的多次反射,而且其内部夹层具有拉伸、压缩、剪切多种变形形式,可以更多的消耗声能,因此层合复合材料能有效地阻隔声波的通过。
用有限元素法对一种层合复合材料进行声学有限元分析,得到与实验数据较为吻合的结果,实验结果和有限元分析结果都说明了夹层复合材料具有良好的隔声性能。
关键词:隔声;层合复合材料;有限元方法中图分类号:TB 34;TB 333文章编号:1671-6841(2002)01-0051-040 引言传统的隔声材料为均质单层材料,遵循质量定律,单层材料的隔声量随其面密度的增加而增加,由此提高隔声量与减轻材料自重之间总是存在着冲突.譬如说常用的铅板作为隔声材料,虽然其隔声效果较为良好,但由于其有很大的密度,所以在应用中带来诸多不便.而层合复合材料有独特的力学和阻尼性能,能够突破质量定律,而能够形成质量轻,降噪性能良好的隔声材料.多层复合板隔声结构利用声波在不同介质的多个分界面上产生反射的原理,只要面层与弹性层选择得当,在获得同样隔声量的情况下,其结构比单层均质板结构要轻得多.文献[1]曾对不规则形状空间的声压分布进行过有限元分析,文献[2]对声场中声固藕合作用进行了有限元分析,本文则对一种新型隔声材料的隔声性能进行有限元分析,以从数值分析角度来证实层合复合材料的隔声能力.1 声场有限元基本方程存在声固耦合作用的声场有限元分析包括三个方面:一是内部声场的有限元分析;二是结构发生振动,即进行结构的有限元分析;三是内部声场的流体与结构在界面处发生耦合作用,即进行声固耦合的有限元分析.1.1 空气介质内部声场有限元方程假定空气是理想流体,均匀介质;声波传播过程中,空气的疏密变化是绝热过程,而且在空气中传播的声波是小振幅声波.这样,声压P 满足H el m ho ltz 波动方程Ξθc 2P + 2P =0其中,Ξθ为声波振动的圆频率;c 为空气中声速; 2是拉普拉斯算子.用有限元法将声场离散化后,得到内部声场的有限元方程[M P e ]{P βe }+[C P e ]{P αe }+[K P e ]{P e }+Θ0[R e ]T {U }={0}(1)第34卷第1期2002年3月 郑州大学学报(理学版)JOU RNAL O F ZH EN GZHOU UN I V ER S IT Y V o l .34N o.1M ar .2002 其中,[M P e ]=1c 2∫V {N }{N }Td V 为声场总体质量矩阵;N 为声压的单元形函数;[C pe ]=Βc ∫S {N }{N }T d S 为流体阻尼矩阵;Β为吸声系数;[K P e ]=∫V {B }{B }T d V 为声场的总体刚度矩阵;Θ0[R e ]=Θ0∫S {N }{n }T {N ′}T d S 为声场和结构的界面耦合矩阵.1.2 隔声材料的结构有限元方程层合复合材料中存在粘弹性材料夹层,在建立隔声材料有限元模型时,要将材料的粘弹性模型化为结构的粘弹性阻尼来考虑,化入结构的总体阻尼矩阵.隔声材料的结构有限元方程为:[M e ]{U βe }+[C e ]{U αe }+[K e ]{U e }={F e }(2)其中,[M e ]为结构总体质量矩阵;[C e ]为结构总体阻尼矩阵;[K e ]为结构总体刚度矩阵;{F e }为作用于结构上的外力.1.3 声固耦合的有限元方程将(1),(2)两式合并,得到声固耦合的有限元方程[M e ] [0]M f s [M P e ]{U βe }{P βe }+[C e ] [0][0] [C P e ]{U αe }{P αe }+[K e ] [K f s ][0] [K p e ]{U e }{P e }={F e }{0}其中,[M f s ]=Θ0[R e ]T ;[Kf s ]=-[R e ].2 层合复合材料的设计 多层复合材料隔声性能设计的原则是尽力设法使声波穿过复合材料时消耗更多的能量[3].本文的设计主要应用三方面的机理:(1)利用复合材料夹层的多个界面反射能量.声波每遇到一个界面,都要经历一次反射和透射,反射波又在两界面之间的粘弹性介质中多次反射,声能被粘弹性材料吸收.(2)声波使材料发生弯曲振动,夹层复合材料发生弯曲变形时,芯层材料除了发生拉伸和压缩变形之外,还产生约束下的剪切变形,会储存和耗散更多的能量.(3)使复合材料夹层的各单层材料软硬相间,对软硬层的模量进行优化匹配以消除共振、耗散能量.本文的材料设计(如图1所示)为:玻璃钢 交联聚乙烯发泡体 钢板 交联聚乙烯发泡体 玻璃钢.图1 材料设计示图图2 有限元声场分析模型3 层合复合材料作隔声材料的声场有限元数值分析3.1 建立模型根据隔声测试的试验过程建立有限元计算模型.试验按照国家标准,试件面积在10m 2以上,隔声实验室为两相连的混响室,试件放于两混响室之间.在发声室墙角处有一点声源.用精密声级计测得发声室和受声室的平均声压级.而得到试件的隔声降噪量.由此,有限元理论分析的模型分为两个声场(发声室声场,受声室声场),以及在两声场之间作为隔声材25郑州大学学报(理学版)第34卷 料的层合复合材料.模型图见图2.3.2 单元划分两声场的内部单元为与结构不发生耦合作用的三维流体单元,与复合材料相邻的单元为与结构有耦合作用的三维流体单元.划分层合复合材料采用8节点三维结构单元.发声室和受声室均划分为1000个流体单元,层合复合材料中的各层均被划分为200个实体单元.整个模型共被划分为3000个单元,共有3751个节点(见图3和图4).图3 模型的单元划分图4 层合复合材料的单元划分局部放大图3.3 边界条件两声场的壁面均被认为是刚性壁面.层合复合材料四边的约束视为固支.3.4 加载在发声室墙角处加载点声源.在流体与层合复合材料的两个界面处,发生声振耦合作用.通过计算两声场的平均声压,相比较而求得层合复合材料的降噪量.3.5 计算结果与分析有限元分析结果示于图5,图中还给出了与实验值的对比,降噪量用L F 表示.图5 有限元分析结果图示由对比图表可以看出,有限元法所得到的理论计算结果与实验结果吻合较好.3.6 误差分析从图中可见.有限元法计算所得的结果较实验结果偏大,其原因有:(1)实验过程中采用了木架子固定试件,而在实验结果中减去了过多的木架子可能引起的隔声量,使实验结果偏小.(2)在实验过程中试35 第1期 孙卫青等:复合材料透波盖强度有限元分析45郑州大学学报(理学版)第34卷 件安装密闭处可能存在极小缝隙,影响了隔声效果.4 结论从隔声效果看,本次实验所采用的层合复合材料的降噪效果在低频(125H z～1000H z)相当于2～3mm厚的钢板,其面密度约为20kg m2,而该层合复合材料的平均面密度仅为7.4kg m2左右,可见,重量减轻近2 3.而且,这种层合复合材料在高频(1000H z以上)降噪效果更好,是一般单层均质材料所无法相比的.由此可见,层合复合材料由于具有低密度,良好降噪效果的特点,其在声学上的应用前景是相当乐观的.参考文献:[1] Shuku T,Ish ihara K.T he analysis of the acoustic field in irregularly shaped room s by the finite elem ent m ethod.Journal of Sound and V ibrati on,1973,29(1):67～76.[2] 吴小清,王登峰,左曙光,等.壁面有吸声材料时拖拉机驾驶室声固耦合有限元分析.农业机械学报,1999,30(3):1～4.[3] 王震鸣,张恒,杜善义,等.复合材料的力学、设计、应用与评测(第三册).哈尔滨:哈尔滨理工大学出版社,2001.Analysis of Sound I n sulation i nM ultilayer Com posites w ith F i n ite Elem en t M ethodSun W eiqing, Q iu Zongx i, Zhang H eng, Zhang Jun(S chool of M echan ica l E ng ineering,Z heng z hou U n iversity,Z heng z hou450052) Abstract:In m u ltilayer com po sites,the m u ltilayer in terfaces lead to the m u lti p le reflecti on of a2 cou stic w aves and in ternal layers have m u ltifo r m of defo r m ati on,such as ten si on,com p ressing and shearing that can dissi pate m o re acou stic energy.A s a resu lt,the m u lti p layer com po sites can in su late sound efficien tly.T he sound in su lati on ab ility of m u ltilayer com po sites is evaluated by fin ite elem en t m ethod,and the com pu ted resu lts are in good co incidence w ith the exp eri m en tal ones.Bo th resu lt p roved that m u lti p layer com po sites have better effect than the traditi onal single layer m aterials in sound in su lati on app licati on. Key words:sound in su lati on;m u lti p layer com po sites;fin ite elem en t m ethod。
复合材料机身结构声学特性及影响参数分析
复合材料机身结构声学特性及影响参数分析胡莹;李晨曦;林森【摘要】针对复合材料(以下简称\"复材\")结构进行声振分析,通过无限大障板理论和波动方程,分析复材平板和曲板结构的传声损失,并利用统计能量法分析壁板的隔声性能,与文献中的实验结果进行对比,验证建模的有效性.然后将复合材料机身结构等效成一个复材圆柱壳体结构,分析不同参数,包括压差、曲率半径、长度、铺层角度、纤维材料、加筋等对结构隔声性能的影响.最后与金属机身结构进行隔声性能对比,发现:在环频率与吻合效应频率之间,金属机身结构的传声损失明显大于复材机身结构,而在吻合效应频率以上频段,由于复材结构的吻合效应频率向低频移动,其传声损失好于金属机身结构.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】12页(P333-344)【关键词】复材结构;隔声性能;传声损失;统计能量分析【作者】胡莹;李晨曦;林森【作者单位】中国商飞上海飞机设计研究院上海 201210;中国商飞上海飞机设计研究院上海 201210;中国商飞上海飞机设计研究院上海 201210【正文语种】中文【中图分类】TB530 引言随着科技的进步和新材料的应用，民用飞机(以下简称“民机”)逐步向超大宽体、低噪声、轻量化等方向发展，大量采用高性能复合材料(以下简称“复材”)是航空航天飞行器发展的重要方向[1−2]。
其中在民机领域，复材应用发展非常迅速，如B787机身段采用全复材结构，复材用量达到50%，而A350XWB的复材用量为52%[1,3]。
先进发动机的静音技术已经使得飞机发动机噪声大幅降低，相比之下，机身气流摩擦噪声和结构振动辐射噪声已经占到飞机噪声的很大比重，而这部分噪声主要依靠机体结构来隔离。
鉴于此，复材结构将是承担着隔离大部分外部噪声(如附面层噪声、发动机风扇噪声、喷流噪声)的主要部件，且复材板壳的声学特性研究对于结构的低噪声设计具有重要的意义[4]。
绿色建筑声环境模拟计算及隔声外窗选型研究
绿色建筑声环境模拟计算及隔声外窗选型研究
易嘉
【期刊名称】《智能建筑与智慧城市》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】当前,较多工程设计中的隔声外窗选型主要通过类比法确定,存在难以适应复杂多变的项目环境、数据过时或不精确、经济性差等不足。
因此,文章以某商业办公建筑外窗选型为例,采用绿建斯维尔SEDU软件进行建筑环境噪声模拟计算,评估位于交通干线两侧区域内的建筑的环境噪声,然后采用INSUL隔声预测软件进行窗构件隔声性能模拟计算,定量比较不同层数、不同厚度、不同气体空腔厚度的玻璃构造的隔声量差异,同时,结合外窗的热工性能,最终实现适用、经济、合理的外窗选型。
【总页数】5页(P101-105)
【作者】易嘉
【作者单位】上海朗诗规划建筑设计有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU112.4
【相关文献】
1.外窗的隔声作用及塑料窗的隔声性能
2.典型建筑外窗窗型隔声性能验证
3.建筑外窗空气声隔声性能现场实验研究
4.既有建筑改造外窗隔声性能选型分析
5.建筑外窗空气声隔声性能相关研究
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氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展
第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展孙敬伟1,王洪磊1,2,周新贵1(1.国防科技大学空天科学学院,新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,长沙㊀410073;2.中南大学轻质高强结构材料重点实验室,长沙㊀410083)摘要:与传统金属材料相比,氧化铝纤维增强氧化铝基(Al 2O 3/Al 2O 3)复合材料因具有比强度高㊁密度低㊁耐高温和抗氧化等特点,已经成为新一代备受国内外学者关注的航空航天热结构复合材料㊂本文介绍了目前常用的氧化铝纤维及其基本性能,总结了Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中常用的界面相及其对复合材料性能的影响规律,归纳了Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的制备工艺及性能,指出了该材料未来的发展趋势,旨在为国内Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的研究提供借鉴和参考,促进Al 2O 3/Al 2O 3复合材料在航空航天领域热端高温部件上的广泛应用㊂关键词:氧化铝;复合材料;纤维;界面相;制备工艺中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-4092-21Research Progress of Al 2O 3Fiber Reinforced Al 2O 3Matrix CompositesSUN Jingwei 1,WANG Honglei 1,2,ZHOU Xingui 1(1.Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory,College of Aerospace Science andEngineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China;2.National Key Laboratory of Scienceand Technology on High-Strength Structural Materials,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract :Compared with traditional metal material,Al 2O 3fiber reinforced Al 2O 3matrix (Al 2O 3/Al 2O 3)composites have become a new generation of thermos-structured composites for aerospace that have attracted much attention from scholars all over the world due to their high specific strength,low density,high temperature resistance and oxidation resistance.This paper introduces the commonly used Al 2O 3fibers and their basic properties,summarizes the frequently used interfacial phases in Al 2O 3/Al 2O 3composites and their influence on performance of composites,summarizes the preparation process of Al 2O 3/Al 2O 3composites and their properties,and points out the future development trend of this material,aiming toprovide a reference for the research of Al 2O 3/Al 2O 3composites in China and promote the widespread application of Al 2O 3/Al 2O 3composites in high-temperature components at the hot side of aerospace industry.Key words :Al 2O 3;composite;fiber;interfacial phase;manufacturing process 收稿日期:2023-06-02;修订日期:2023-08-03基金项目:中南大学轻质高强结构材料重点实验室开放课题基金(SYSJJ202104)作者简介:孙敬伟(2000 ),男,硕士研究生㊂主要从事陶瓷基复合材料方面的研究㊂E-mail:sunjingwei0120@通信作者:王洪磊,博士,副教授㊂E-mail:honglei.wang@ 0㊀引㊀言连续纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度㊁高强度㊁高模量㊁耐高温和抗磨损等特点[1-4],已被应用于航空航天发动机热端等关键部件[5-7]㊂在发动机实际工况下,高温燃气中的水蒸气会加速航空发动机热端复合材料部件的氧化[8-10],从而减弱复合材料的力学性能和可靠性[11-14]㊂氧化铝纤维增强氧化铝复合材料(简称Al 2O 3/Al 2O 3复合材料)相较于其他陶瓷基复合材料具有较好的抗水蒸气氧化性能[14-17],有效解决了陶瓷基复合材料在特定环境下易氧化的问题,极大拓宽了陶瓷基复合材料在航空航天等领域的应用[16,18-19]㊂目前Al 2O 3/Al 2O 3复合材料作为航空航天领域热端高温部件的新兴候选材料受到了国内外学者的广泛关注[17,20-21]㊂国外对Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的研究起步较早,现已对Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的制备技术㊁微观结构及第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4093㊀性能展开了系统的基础研究,并进入了工程应用阶段[22-24]㊂美国CHI(Composites Horizons)公司制备的Al2O3/Al2O3复合材料中心锥㊁混合器和核心整流罩部件成功应用到了GE-passport20发动机中,是Al2O3/ Al2O3复合材料在商用航空发动机中最早的应用㊂美国在CLEEN项目[22]中成功制备了Al2O3/Al2O3复合材料中心锥和喷管部件,组成了航空发动机排气部件(中心锥宽1.14m㊁高2.34m,喷管直径1.60m),是迄今为止尺寸最大的Al2O3/Al2O3复合材料航空发动机部件,该部件已完成装机测试,达到TRL(Technology Readiness Level)7水平,进入了最终完善阶段㊂此外美国的罗㊃罗AE3007发动机[25]㊁F414发动机等也都装配了Al2O3/Al2O3复合材料部件㊂德国在HiPOC项目[24,26]成功制备了Al2O3/Al2O3复合材料燃烧室衬套,完成了模拟发动机推力90%的测试,衬套整体保持完整㊂在此基础上,德国DLR[23,27]制备了WHIPOX-Al2O3/ Al2O3复合材料燃烧室衬套,该衬套经10h模拟环境考核后出现裂纹,但部件整体完整,没有出现灾难性破坏㊂同时,Al2O3/Al2O3复合材料也被广泛应用于民用工业领域㊂德国WPS公司[28-29]在Al2O3/Al2O3复合材料部件的工业开发与应用制造方面具有丰富的经验,制备了高温炉部件㊁汽车排气系统㊁陶瓷紧固件和太阳能吸收器等一系列复杂形态Al2O3/Al2O3复合材料部件,其中高温炉部件经500~780ħ的温差热震试验循环107次后未失效,同时,太阳能吸收器热部件的直径可达2.5m,是目前最大的Al2O3/Al2O3复合材料部件㊂受限于高性能Al2O3纤维原材料,我国对Al2O3/Al2O3复合材料的研究起步较晚,虽然近年来在Al2O3/ Al2O3复合材料应用领域取得了一定进展,但仍处于基础研究阶段,尚有许多应用问题需要解决[30-32]㊂本文从氧化铝纤维㊁界面相和复合材料制备工艺的角度出发,重点介绍了Al2O3/Al2O3复合材料制备技术及性能,指出了这一领域未来的发展趋势,期望为国内Al2O3/Al2O3复合材料研究领域的发展提供一些参考㊂1㊀氧化铝连续纤维氧化铝连续纤维的研究始于20世纪70年代,目前只有美国㊁日本㊁德国和中国等国家掌握了其制造技术[33]㊂美国3M公司在1974年首次通过溶胶-凝胶法制备了氧化铝纤维,经过不断优化,推出了Nextel系列氧化铝纤维,其中Nextel610纤维和Nextel720纤维是目前应用最广泛的氧化铝纤维[11,34-35]㊂1.1㊀Nextel610氧化铝纤维Nextel610氧化铝纤维的主要成分为α-Al2O3,含有低于1%(质量分数,下同)的Fe3O4和SiO2,为单相多晶氧化铝纤维㊂在纤维制备过程中,Fe3O4有效提高了α-Al2O3的形核率,降低了α-Al2O3的相变温度, SiO2有效减小了α-Al2O3晶粒的生长速率㊂在Fe3O4和SiO2的共同作用下,氧化铝纤维的烧结温度显著降低且致密度明显上升㊂Nextel610氧化铝纤维是目前室温拉伸强度和拉伸模量最高的氧化铝纤维,但高温处理后纤维中α-Al2O3晶粒迅速长大,纤维缺陷增多,力学性能明显下降㊂Nextel610氧化铝纤维的基础性能如表1所示㊂表1㊀Nextel610氧化铝纤维的基础性能Table1㊀General properties of Nextel610Al2O3fiberTrademark Component Diameter/μm Density/(g㊃cm-3)Tensilestrength/GPaTensilemodulus/GPaFracturestrain/%Nextel61099.0%α-Al2O30.7%Fe3O40.3%SiO210~12 3.90 3.103800.50在高温条件下,Nextel610氧化铝纤维晶粒会显著长大,晶粒生长速率受保温时间影响较大㊂Schmücker 等[36]对Nextel610氧化铝纤维在1300ħ热处理过程中的晶粒长大机制进行了详细研究,发现Nextel610氧化铝纤维中的掺杂元素在α-Al2O3晶界附近偏聚,使得α-Al2O3晶界迁移率降低,α-Al2O3晶粒生长速率较小㊂根据等温生长动力学计算公式(式(1))可得Nextel610氧化铝纤维的生长指数nʈ4,Nextel650和Nextel720氧化铝纤维的生长指数nʈ7㊂但由于Nextel610氧化铝纤维中没有第二相成分抑制晶粒生长, Nextel610氧化铝纤维相较于另外两种氧化铝纤维在高温条件下的晶粒生长速率受保温时间影响较大(如图1所示)㊂根据生长指数n㊁α-Al2O3的晶粒尺寸和温度的关系,计算出了Nextel610氧化铝纤维的晶粒生4094㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图1㊀氧化铝纤维1300ħ热处理后晶粒尺寸与保温时间的关系[36]Fig.1㊀Relationship between grain size and dwell time of Al 2O 3fibers heat-treated at 1300ħ[36]长活化能约为660kJ㊃mol -1㊂D n -D n 0=K (T )ˑt (1)式中:D 为热处理后晶粒尺寸,D 0为原始晶粒尺寸,K为反应常数,t 为热处理时间,n 为生长指数,理想状态下n 为2[37]㊂Nextel 610氧化铝纤维经高温处理后晶粒会显著长大,力学性能下降㊂姜如等[35]对Nextel 610氧化铝纤维在1000~1400ħ进行热处理后发现,纤维经1200ħ热处理后的表面晶粒尺寸明显增大;当热处理温度为1400ħ时,纤维表面缺陷明显增多,纤维经不同温度热处理后的表面形貌如图2所示㊂对不同温度热处理后的纤维进行拉伸强度测试发现,随着热处理温度的升高,纤维的拉伸强度逐渐降低㊂当热处理温度为1200ħ时,纤维的拉伸强度发生突变,强度保留率仅为71.15%㊂不同温度热处理后纤维的晶粒尺寸与拉伸强度关系如图3所示㊂图2㊀不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维的表面形貌[35]Fig.2㊀Surface morphologies of Nextel 610Al 2O 3fibers heat-treated at different temperatures [35]Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能随测试温度变化显著㊂美国3M 公司[38]报道了Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能,如图4所示㊂由图4可知,Nextel 610氧化铝纤维在1200ħ之前强度较高,强度保留率在95%以上;1300ħ时强度下降明显,强度保留率降低至64%;1400ħ时的强度保留率仅为30.2%㊂这主要是因为Nextel 610氧化铝纤维是单相纤维,在较高的温度下晶粒快速长大,导致强度迅速下降㊂第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4095㊀图3㊀不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维晶粒尺寸和拉伸强度关系[35]Fig.3㊀Relationship between grain size and tensile strength of Nextel 610Al 2O 3fiber heat-treated at different temperatures[35]图4㊀Nextel 系列氧化铝纤维的高温力学性能[38]Fig.4㊀High temperature mechanical properties of Nextel series Al 2O 3fiber [38]㊀Nextel 610氧化铝纤维的抗蠕变性能较差,在不同环境热处理后其蠕变性能有明显差异㊂Armain 等[39]研究了1100ħ时Nextel 610氧化铝纤维分别在空气和水汽气氛下的蠕变行为,发现当蠕变应力为100MPa 时,Nextel 610氧化铝纤维在两种气氛下的寿命都超过100h,水汽气氛下的蠕变应变为空气气氛下的5倍㊂而当蠕变应力为200~500MPa 时,水汽气氛下的蠕变应变略低于空气气氛下的蠕变应变,Nextel 610氧化铝纤维在不同气氛下的蠕变曲线如图5所示㊂水汽显著增加了Nextel 610纤维的蠕变速率,当蠕变应力为100~500MPa 时,纤维在水汽气氛下的蠕变速率较空气气氛下的蠕变速率高近一个数量级㊂图5㊀1100ħ下Nextel 610氧化铝纤维在不同气氛中的蠕变曲线[39]Fig.5㊀Creep curves of Nextel 610Al 2O 3fiber in different atmosphere at 1100ħ[39]1.2㊀Nextel 720氧化铝纤维Nextel 720氧化铝纤维主要含α-Al 2O 3和SiO 2,其中SiO 2的含量约为15%[35]㊂在纤维烧成过程中SiO 2与α-Al 2O 3反应生成莫来石,莫来石可在α-Al 2O 3晶界处聚集,形成莫来石包围α-Al 2O 3的结构,有效抑制了α-Al 2O 3晶粒的生长,明显提高了纤维的抗蠕变性能㊂Nextel 720氧化铝纤维的性能如表2所示㊂表2㊀Nextel 720氧化铝纤维的基础性能Table 2㊀General properties of Nextel 720A 2O 3fiberTrademark Component Diameter /μm Density /(g㊃cm -3)Tensile strength /GPa Tensile modulus /GPa Fracture strain /%Nextel 72085.0%α-Al 2O 315.0%SiO 210~12 3.40 2.102600.81与Nextel 610氧化铝纤维类似,高温热处理可使Nextel 720氧化铝纤维的晶粒长大,尤其在高于1600ħ的温度下,Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大明显㊂Schmücker 等[36]在1500~1700ħ对Nextel 7204096㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图6㊀Nextel 720氧化铝纤维在1500~1700ħ热处理时晶粒尺寸与保温时间的关系[36]Fig.6㊀Relationship between grain size and dwell time of Nextel 720Al 2O 3fiber heat-treated at 1500~1700ħ[36]氧化铝纤维进行热处理,晶粒尺寸随时间的变化如图6所示㊂由图6可以看出,1600ħ以下的氧化铝纤维晶粒长大不明显,1600ħ以上氧化铝纤维晶粒显著长大㊂根据式(1)计算得到1600ħ以下莫来石晶粒的生长指数n ʈ12,1600ħ以上莫来石晶粒的生长指数n ʈ3,均在典型的陶瓷晶粒生长指数区间内[37]㊂因此当热处理温度低于1600ħ时,Nextel 720氧化铝纤维中的晶粒长大主要为α-Al 2O 3晶粒的生长,莫来石晶粒几乎不长大,并且由于莫来石的存在,α-Al 2O 3晶粒的生长受到抑制㊂当热处理温度高于1600ħ时,Nextel 720氧化铝纤维中晶粒长大主要来源于莫来石晶粒的生长㊂高温热处理会对Nextel 720氧化铝纤维的拉伸强度产生显著影响㊂郑周等[31]通过对Nextel 720氧化铝纤维热处理后发现,当热处理温度为1300ħ时,莫来石相由伪四方结构逐渐转变为斜方结构,氧化铝晶体从莫来石晶体中析出㊂观察纤维热处理后的表面形貌发现,1100ħ热处理后纤维表面由颗粒状α-Al 2O 3晶体和条状的莫来石晶体混杂形成,1300ħ热处理后的纤维表面颗粒状α-Al 2O 3晶体显著长大为块状晶体,与条状莫来石晶体镶嵌分布,不同温度热处理后的纤维表面形貌如图7所示㊂对不同温度热处理后的纤维拉伸强度进行测试后发现,随着热处理温度的升高,纤维的拉伸强度逐渐下降㊂1100ħ热处理后纤维室温拉伸强度下降明显,强度保留率为64.48%;1300ħ热处理后的纤维拉伸强度保留率降为54.10%㊂图7㊀不同温度热处理的Nextel 720氧化铝纤维表面形貌[31]Fig.7㊀Surface morphologies of Nextel 720Al 2O 3fiber heat-treated at different temperatures [31]Nextel 720氧化铝纤维的高温力学性能也随测试温度的升高而显著降低㊂美国3M 公司[38]报道了Nextel 720氧化铝纤维的高温力学性能,如图4所示㊂由图4可知,当测试温度低于1200ħ时,Nextel 720氧化铝纤维高温拉伸性能低于Nextel 610氧化铝纤维,这是因为在1200ħ前,Nextel 610氧化铝纤维晶粒长大不明显,纤维拉伸强度保留率较高;当测试温度高于1200ħ时,Nextel 610氧化铝纤维晶粒明显长大,拉伸强度明显下降,而Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大不明显,导致Nextel 720氧化铝纤维在1200ħ以上高㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4097温拉伸性能高于Nextel610氧化铝纤维㊂Nextel720氧化铝纤维的抗老化性能优于Nextel610氧化铝纤维㊂根据3M公司的报道[38],Nextel720氧化铝纤维在不同温度下暴露1000h后的拉伸强度和晶粒尺寸关系如图8所示㊂相较于Nextel610氧化铝纤维,Nextel720氧化铝纤维长时间高温暴露后的强度保留率较高,晶粒尺寸增长较缓慢㊂这得益于莫来石相减少了α-Al2O3的晶界滑移,且有助于 钉扎 晶粒,使Nextel720氧化铝纤维的抗热老化性能增强㊂图8㊀不同温度暴露1000h后Nextel720氧化铝纤维拉伸强度和晶粒尺寸[38]Fig.8㊀Tensile strength and grain size of Nextel720fiber exposured1000h at different temperatures[38] Nextel720氧化铝纤维的抗蠕变性能较好,但不同高温环境对Nextel720氧化铝纤维的蠕变性能的影响显著不同㊂Armain等[40]研究了Nextel720氧化铝纤维在空气和水汽气氛下不同温度时的蠕变行为,发现当蠕变应力为400MPa㊁热处理温度为1100ħ时,Nextel720氧化铝纤维在水汽气氛下的蠕变应变约为空气气氛下蠕变应变的2倍㊂当蠕变应力为200MPa㊁热处理温度为1200ħ时,水汽气氛下的蠕变应变为空气气氛下蠕变应变的4~7倍㊂Nextel720氧化铝纤维在不同气氛下的蠕变曲线如图9所示㊂水汽的存在显著增㊀㊀㊀图9㊀不同温度下Nextel720氧化铝纤维在不同气氛中的蠕变曲线[40]Fig.9㊀Creep curves of Nextel720Al2O3fiber in different atmosphere at different temperature[40]4098㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷加了Nextel 720纤维的蠕变速率,当蠕变应力为100~300MPa㊁热处理温度为1200ħ时,水汽气氛下的蠕变速率比空气气氛下的蠕变速率高近一个数量级㊂综上所述,Nextel 610氧化铝纤维成分单一,主要为α-Al 2O 3相,其室温和高温拉伸强度较高,但纤维的单相组成导致其力学性能受温度影响较明显,纤维的高温稳定性和抗蠕变性能差㊂为提高纤维的稳定性和抗蠕变性能,3M 公司在Nextel 610氧化铝纤维的基础上开发了Nextel 720氧化铝纤维㊂Nextel 720氧化铝纤维中主要含有α-Al 2O 3和莫来石两相,相较于Nextel 610氧化铝纤维,Nextel 720氧化铝纤维的室温和高温力学性能较差㊂但由于莫来石相的存在,Nextel 720氧化铝纤维在高温下的晶粒长大速率较小,稳定性和抗蠕变性能较好㊂Nextel 610氧化铝纤维和Nextel 720氧化铝纤维的优缺点如表3所示㊂表3㊀Nextel 610氧化铝纤维和Nextel 720氧化铝纤维的优缺点Table 3㊀Advantages and disadvantages of Nextel 610and Nextel 720Al 2O 3fibersAl 2O 3fiberAdvantage Disadvantage Nextel 610Single phase fiber;high tensile strength Mechanical properties are significantly affected by temperature Nextel 720Good stability;mechanical properties are not significantly affected by temperatureTwo phase fiber;low tensile strength 2㊀界面相在连续纤维增强陶瓷基复合材料中,界面是连接纤维与基体的桥梁,主要承担着传递载荷㊁偏转裂纹㊁消除热应力和阻挡元素扩散的作用,对复合材料的性能有重要影响[41-43]㊂界面相要与纤维和基体间有良好的物理和化学相容性,同时界面相与纤维和基体间的结合强度要适中,这是因为一方面界面相能防止界面结合强度过大导致复合材料发生脆性断裂,降低力学性能[44];另一方面界面相能防止界面结合强度过小导致载荷不能通过界面传递给纤维,减弱纤维的增强作用[45]㊂目前,Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中常用的界面相主要为热解碳(PyC)[46-48]㊁氮化硼(BN)[49]和独居石(LaPO 4)[50-51]㊂2.1㊀热解碳(PyC )界面相PyC 具有特殊的层状结构,层与层之间通过范德瓦尔斯力结合,被广泛应用于复合材料界面相材料㊂PyC 与氧化物纤维相容性好,且能有效阻挡纤维和基体间的元素扩散㊂Wang 等[48]采用化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)工艺于1300ħ在氧化铝纤维表面制备了厚度约为70nm 的PyC 涂层,涂层的微观形貌如图10所示㊂由图可知,PyC 涂层与纤维结合性良好,纤维表面产生了由缺陷和晶粒长大引起的凹凸表面㊂纤维和基体两个组分被约60nm 厚的均匀PyC 涂层分离,没有发生任何界面扩散和反应㊂PyC 涂层具有明显的层状结构,非常有利于裂纹偏转[52],提高复合材料的力学性能㊂PyC 涂层厚度会对纤维的力学性能产生较明显的影响㊂Wang 等[46]采用CVD 法在氧化铝纤维表面制备了不同厚度的PyC 涂层,纤维的截面形貌如图11所示,此外还研究了涂层厚度和结合强度对纤维力学性能的影响㊂结果表明,当涂层厚度较小(0.15μm)时,涂层能够愈合纤维表面缺陷[53],从而提高纤维的拉伸强度㊂随着涂层厚度的增加,纤维的拉伸强度逐渐降低㊂产生这一现象的原因是:1)涂层的柔软性对纤维拉伸强度的影响大于表面缺陷的愈合效果;2)涂层厚度增加需要更长的CVD 时间,长时间高温环境易使纤维强度下降;3)纤维和PyC 涂层的热膨胀系数不同(纤维为5.3ˑ10-6ħ-1,PyC 涂层为2.5ˑ10-6ħ-1),当涂层较厚时,纤维和涂层间出现间隙,界面结合强度较弱㊂受到外力时,裂纹不能偏转,导致应力集中于纤维表面,易使纤维发生断裂㊂PyC 涂层会对复合材料的力学性能产生明显影响㊂Geng 等[47]在氧化铝纤维编织件上制备了PyC 涂层,随后通过溶胶-凝胶法制备了莫来石/Al 2O 3复合材料,有无PyC 涂层的莫来石/Al 2O 3复合材料的断口形貌如图12所示㊂无PyC 涂层的复合材料断口平整,没有纤维拔出现象㊂这说明复合材料在断裂过程中,由于裂纹尖端应力集中导致裂纹直接穿过氧化铝纤维,纤维的增韧机制没有得到发挥㊂有PyC 涂层的复合材料的断口纤维大量拔出,纤维拔出机制吸收了大部分能量,并且在断裂过程中产生沿纤维轴向扩展的裂纹,有效阻止了复合材料发生脆性断裂㊂㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4099图10㊀PyC涂层纤维的微观结构[48]Fig.10㊀Microstructure of PyC coated fiber[48]图11㊀不同厚度PyC涂层纤维的截面形貌[46]Fig.11㊀Cross-section morphologies of PyC coated fibers with different thickness[46]2.2㊀氮化硼(BN)界面相BN具有与PyC类似的层状结构,在复合材料中引入该结构界面相后,当复合材料受到外力时,裂纹可沿界面层间扩展,起到保护纤维和提高复合材料力学性能的作用㊂相较于PyC涂层,BN的抗氧化性能较好,但在高于850ħ的氧化环境下,BN可与O2发生反应生成具有挥发性的B2O3,从而导致界面相消失㊂4100㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图12㊀莫来石/Al2O3复合材料的微观结构[47]Fig.12㊀Microstructure of mullite/Al2O3composites[47]高温热处理会对BN涂层的结晶度产生显著影响㊂Sun等[49]通过CVD工艺在氧化铝纤维表面制备了BN涂层,BN涂层的微观结构如图13所示㊂图13(a)为700ħ下沉积的BN涂层,由图可知涂层与纤维结合良好,BN呈非晶结构㊂图13(b)和13(c)为700ħ下沉积后经1300ħ热处理后的BN涂层,由图可知热处理后的BN涂层结晶度显著提高,具有明显的层状结构,为六方相氮化硼(h-BN)㊂对比图13(a)~(c)可知,高温热处理可以提高BN涂层的结晶度,使其由非晶相BN涂层转变为六方相BN涂层㊂图13㊀BN涂层纤维的微观结构[49]Fig.13㊀Microstructure of BN coated fibers[49]BN涂层的沉积温度会对涂层厚度和涂层纤维的力学性能产生明显影响㊂Sun等[49]以单源氨硼烷为前驱体,采用低温CVD工艺(700~900ħ)在氧化铝纤维表面制备了BN涂层,BN涂层纤维截面的微观形貌如图14所示㊂由图可知,在不同温度下沉积的BN涂层与纤维结合良好,且随着沉积温度的升高,BN涂层的厚度逐渐增加㊂对涂层纤维进行拉伸强度测试后发现,随着沉积温度的升高,涂层纤维的拉伸强度逐渐下降㊂700ħ下沉积涂层后的氧化铝纤维强度保持率为94.9%,900ħ下沉积涂层后的氧化铝纤维强度保持率迅速下降到54.8%㊂纤维拉伸强度下降的原因为:1)涂层沉积过程中的高温使纤维晶粒长大,导致纤维力学性能下降;2)BN涂层和氧化铝纤维的热膨胀系数不同,涂层和纤维在不同的沉积温度下有不同的收缩速率,从而产生残余热应力㊂残余热应力随着沉积温度的升高而升高,从而导致涂层纤维的力学性能随着沉㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4101积温度的升高而下降㊂图14㊀不同温度沉积BN涂层后的纤维截面形貌[49]Fig.14㊀Cross-section morphologies of fibers after deposition of BN coating at different temperatures[49]上述PyC㊁BN两种界面相均起到阻挡元素扩散㊁传递载荷和偏转裂纹等作用,是复合材料中较为常用的界面相,但抗氧化性能较差,在Al2O3/Al2O3复合材料中的应用受到一定限制㊂为解决这一问题,研究人员把目光投向了具有较强抗氧化性的多孔稀土-磷酸盐类材料上,其中应用最广泛的为独居石(LaPO4)界面相㊂2.3㊀独居石(LaPO4)界面相LaPO4的熔点高㊁硬度低,与氧化物纤维和基体相容性好,同时与氧化物纤维和基体结合强度适中,已被用于氧化物/氧化物复合材料中的界面相材料[54]㊂在受到外力时,LaPO4可以通过滑移㊁解离和孪晶等机制有效偏转裂纹,提升复合材料的力学性能㊂LaPO4在高温下会在表面形成一层连续致密的反应层,保护纤维不被高温侵蚀,提高复合材料的稳定性㊂Zhang等[50]以La2O3和磷酸为原料,通过化学共沉淀法和闪烧法制备了LaPO4涂层,该涂层导热系数较低,在1000ħ时的导热系数为1.41W/(m㊃K);稳定性较好,在1400ħ保温100h涂层不受破坏;耐蚀性能好,在700~900ħ的V2O5熔盐中腐蚀4h的腐蚀产物主要为La(P,V)O4,涂层的微观结构变化不大,在1000ħ的V2O5熔盐中腐蚀4h会生成少量的LaVO4,但腐蚀产物仍主要为La(P,V)O4㊂LaPO4涂层的微观结构会对涂层纤维的力学性能产生明显影响㊂Xu等[51]将硝酸镧与植酸混合得到LaPO4前驱体溶液(编号PA f),将硝酸镧与磷酸和柠檬酸混合制备了另一种LaPO4前驱体溶液(编号CA f),采用非匀相沉淀法在35和90ħ下将LaPO4前驱体沉积在氧化铝纤维表面,经600ħ高温处理后得到厚度为500~800nm的LaPO4涂层,涂层纤维的微观形貌如图15所示㊂研究了不同前驱体和沉积温度对纤维强度的影响,分析了涂层纤维的强度退化机理㊂结果表明,在35ħ下沉积的前驱体可以在纤维表面转化为致密的LaPO4涂层,该致密涂层阻止了高温下生成的有害气体排出,导致纤维强度下降[55-56];而采用植酸前驱体可在90ħ获得颗粒细小且堆叠松散的LaPO4涂层,该结构的孔洞分布均匀,有利于有害气体的逸出,使涂层纤维具有最高的拉伸强度㊂通过单纤维拔出测试(示意图如图16所示)发现,90ħ下由柠檬酸前驱体和植酸前驱体在纤维表面制备LaPO4涂层后,纤维与基体间的界面结合强度分别下降了32.5%和46.7%,纤维与基体实现弱界面结合,有助于提高复合材料的力学性能㊂图15㊀LaPO 4涂层纤维的截面形貌[51]Fig.15㊀Cross-section morphologies of LaPO 4coated fibers[51]图16㊀单纤维拔出测试示意图[51]Fig.16㊀Schematic diagram of single fiber pull-out test [51]LaPO 4涂层的厚度会对涂层编织件的稳定性有显著影响㊂Tao 等[54]以LaNO 3和P 2O 5为原料制备了LaPO 4前驱体溶液,采用反复浸渍烧结法在氧化物纤维编织件中制备了厚度为80~300nm 的LaPO 4涂层,涂层的微观形貌如图17所示㊂研究了LaPO 4涂层㊁SiC-SiO 2涂层和LaPO 4-SiC-SiO 2涂层对氧化物纤维编织件柔韧性的影响,其典型力-挠度曲线和氧化物纤维编织件测试前后的照片如图18所示㊂研究发现,具有LaPO 4涂层的氧化物纤维编织件刚度有所增加,但增加的程度很小㊂这说明LaPO 4涂层对氧化物纤维编织件的柔韧性没有明显影响,且对氧化物纤维编织件的高温脆性有一定的缓解作用㊂LaPO 4涂层对高温处理后复合材料的力学性能有明显影响㊂Keller 等[57]制备了Nextel 610/LaPO 4/Al 2O 3复合材料,探究了LaPO 4涂层对高温处理后的复合材料力学性能的影响㊂研究发现,不含LaPO 4涂层的复合材料在1200ħ热处理5h 后拉伸强度下降约70%,复合材料断口几乎没有纤维拔出现象;而含LaPO 4涂层的复合材料经热处理后的拉伸强度下降约36.7%,复合材料断口处有明显的纤维拔出现象(见图19),同时发现纤维拔出现象主要出现在涂层㊁纤维/涂层和涂层/基体界面,这说明LaPO 4涂层与纤维和基体结合力较弱㊂综上所述,PyC 涂层和BN 涂层均具有层状结构,是复合材料中常用的界面相㊂当复合材料受到外力时,PyC 涂层和BN 涂层可通过滑移㊁解离等机制有效偏转裂纹,提高复合材料的力学性能[44,52]㊂但涂层制备工艺复杂且抗氧化性能较差,PyC 涂层在空气中的温度高于400ħ即可被氧化,BN 涂层在空气中的温度高于850ħ即被氧化,限制了涂层在Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中的应用㊂LaPO 4涂层与氧化物纤维和基体相容性好,制备工艺简单㊁抗氧化性能较好,被广泛用在Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中㊂不同涂层的优缺点如表4所示㊂。
闭孔泡沫铝材料吸声性能分析
收稿日期:2010-07-09基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2008AA032512);国家自然科学基金资助项目(50774021)作者简介:梁李斯(1983-),女,内蒙古呼伦贝尔人,东北大学博士研究生;姚广春(1947-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师第32卷第1期2011年1月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 32,No.1Jan.2011闭孔泡沫铝材料吸声性能分析梁李斯,姚广春,穆永亮,华中胜(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳 110819)摘 要:为更全面地反映闭孔泡沫铝材料的吸声降噪能力,从密度、厚度、背后空腔深度、打孔率几个方面,对闭孔泡沫铝材料的吸声性能进行研究 改变以往单纯用吸声系数的峰值表征的方法,而是用吸声系数的峰值、降噪系数、半峰宽3个指标来评价闭孔泡沫铝材料的吸声性能 通过驻波管法测试吸声系数,用Origin 软件进行吸声曲线的分析,建立一次函数 结果表明:在以往研究中个别吸声系数的峰值较高的样品,整体吸声效果不佳;而一些吸声系数的峰值处于中等水平的却具有较好的整体吸声效果,因此更适合于在实际应用中用于吸声结构的设计关 键 词:闭孔泡沫铝;吸声;降噪系数;半峰宽;吸声系数中图分类号:T B 34 文献标志码:A 文章编号:1005 3026(2011)01 0114 03Sound Absorbility of Closed Cell Aluminum FoamL IAN G L i si,YA O Guang chun,M U Yong liang,H UA Zhong sheng(School of M aterials &M etallurg y,Nort heaster n U niversity,Shenyang 110819China.Corr esponding author:L IA NG L i si,E mail:lianglisi414@163.co m)Abstract:The sound absorbility of closed cell aluminum foam w as further investigated in v iew of some factors,including density ,thickness,back cavity depth and perforation rate.Instead of the only characteristic factor,i.e.,the peak value of sound absorption coefficient,the sound absorbility of closed cell aluminum foam w as therefore evaluated through three indices,i.e.,the peak value above mentioned,denoising coefficient and half peak w idth.With the sound absorption coefficient measured by standing w ave meter and the sound absorption curves analyzed by the softw are Origin,the corresponding functional relation w as established.The results show ed that in previous tests some specimens show ed unfavorable effect of sound absorption as a whole though their peak values of sound absorption coefficient w ere high,w hile the other sam ples showed high sound absorption effect as a whole thoug h their peak values were medium.So,the new method proposed to evaluate the sound absorbility is more actual and suitable for the design of sound absorption system.Key words:closed cell aluminum foam;sound absorption;denoising coefficient;half peak w idth;sound absorption coefficient泡沫铝材料作为吸声材料使用已有一段时间,国内外在这方面的研究很多,现已在很多降噪的工程中使用了该种材料,但多数限于开孔泡沫铝材料[1] 主要是因为开孔泡沫铝材料的内部结构与其他多孔材料类似,具有与其他多孔吸声材料类似的吸声机理,因此具有较好的吸声效果,而本身又具有金属材料的一些特性,所以在吸声降噪领域得到了很好的应用[2-5]然而闭孔泡沫铝材料用于吸声历史不长,主要是由于其闭孔结构使得内部孔之间不存在连通,且闭孔泡沫铝密度较大,泡孔壁较厚,主要依靠表面漫反射消耗声能以及形成的部分亥姆霍兹共振器的共振吸声和内部的微孔、裂纹等缺陷使空气摩擦损耗声能以达到降噪效果[6-8]因此,吸声系数很难达到理想效果,但经过一段时间的发展,闭孔泡沫铝的生产工艺越来越成熟,现在可生产出密度在0 3g/cm 3以下的闭孔泡沫铝,泡孔壁较薄,表面漫反射作用增强,内部缺陷增加,从而使吸声系数得到提高 在这一基础上,为了得到更好的吸声效果,尝试对闭孔泡沫铝进行一些加工,如背后贴膜、打孔、压缩等[9]其中打孔取得的效果最为明显,在此之前的评价体系都是对吸声系数的峰值及峰值出现的频段进行评价,来判断吸声效果的好坏,这样的标准较为单一,不利于对闭孔泡沫铝的吸声性能进行全面的评价 因此,在之前工作的基础上本文提出用吸声系数的峰值、降噪系数、半峰宽[10]3个指标来评价闭孔泡沫铝材料的吸声性能,以期得到更全面的结论1 材料与方法1.1 材料的制备与表征实验所用闭孔泡沫铝材料为东北大学熔体发泡法[11]生产的,图1所示为熔体发泡法制作泡沫铝的工艺流程图,该方法是将发泡剂加入到具有一定黏度的熔融金属铝液之中并搅拌均匀;发泡剂受热分解产生气体并在铝液中形成气泡,阻止气泡逸出并冷却含有气泡的铝液,即可获得泡沫铝[12-13]熔体发泡法需要添加钙、氧化铝粉等作为增黏剂,发泡剂一般采用的是金属氢化物,如T iH 2,ZrH 2,H f H 2等,本文所测材料使用的发泡剂为T iH 2,生产出来的泡沫铝孔洞之间相互独立,也因此称之为闭孔泡沫铝图1 熔体发泡法制备泡沫铝流程图F i g.1 Preparation flowchart of alum inum foamby m elt route实验所选闭孔泡沫铝样品通过阿基米德排水法测体积,称出质量后,计算得到其密度,本文所选材料密度从0 3g/cm 3到0 85g/cm 3孔径80%在3~5mm ,孔形态主要以五边形十二面体和十四面体为主 孔分布均匀、无连通孔、有少量缺陷裂纹等1.2 测试方法与过程测试所用仪器为北京中科院声学所的驻波管法吸声测试仪 根据驻波管的测试条件要求,所选试样均为直径99m m 经熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝材料采用线切割的方法进行加工,根据测试的需要,分别加工出符合尺寸的试样 对试样进行不同厚度、背后空腔深度、打孔率的比较,研究吸声效果受不同因素影响的原理与规律在研究打孔率对吸声系数的影响时,对闭孔泡沫铝板进行打孔,均使用直径2mm 的钻头,因实验使用的样件为直径99mm 的圆形闭孔泡沫铝材料,因此按辐射状分布较为均匀 打孔从圆心向外打在一系列同心圆的圆周上,因为钻头直径不变,孔的大小和形状相同,则打孔率不同,打孔个数随之改变2 结果与讨论几组测试分别从吸声系数的峰值、降噪系数、半峰宽3个角度来讨论其吸声能力 其中降噪系数的计算公式为NRC =( 250+ 500+ 1000+ 2000)/4 (1)NRC 即指吸声系数值在250,500,1000,2000H z 的平均值 半峰宽指达到峰值一半高度时吸收峰的宽度 降噪系数和半峰宽两个指标能更全面地反映所测试样在整个频率段内的吸声能力第一组试样厚度均为20mm,密度依次为0 85,0 58,0 51,0 31g/cm 3测试结果如图2所示,由图中可见,吸声系数的峰值随密度减小逐渐增大;所对应的NRC 值依次为0 1825,0 2475,0 2175,0 3725,与峰值不同,密度为0 58g/cm 3的试样降噪系数高于0 51g /cm 3的试样;半峰宽后3个试样依次增大,但密度为0 85g/cm 3的试样反而最大 综合吸声系数的峰值、降噪系数、半峰宽3个指标,整体来看,吸声能力基本符合按密图2 不同密度闭孔泡沫铝材料的吸声性能Fig.2 Sound absorbili ties of closed cell alum i numfoam with different densiti es115第1期 梁李斯等:闭孔泡沫铝材料吸声性能分析度减小递增的规律,但当密度相近时,高密度可能反而具有较好的吸声能力 在具体应用中,需要考虑使用目的,如果是噪声频率集中在某一频段,则只需考虑吸声峰值,若噪声频率范围较宽,就需要综合考虑3个指标,以确定合适的材料第二组试样为密度0 53g/cm 3,厚度依次为10,20,30mm,吸声系数频谱分析图如图3所示 由图可以看出,三组试样吸声系数的峰值比较接近,基本在0 5左右,后两个试样略高于第一个;不同厚度试样所对应的降噪系数依次为0 235,0 24,0 215,前两个试样稍好于第三个;半峰宽值依次递增 虽然随厚度增加吸声系数的峰值发生迁移,但仍可比较在各自吸声频段的吸声能力 由以上结果可以看出,厚度为20m m 的样件吸声效果较好,但在实际应用中应根据噪声的频率特性选择合适的厚度图3 不同厚度闭孔泡沫铝吸声性能Fig.3 Sound absorbili ties of closed cell alum i numfoam wi th different thickness es第三组为密度0 3g/cm 3,厚度10mm ,背后空腔深度为30mm,打孔率从0 5%到4%一个系列的闭孔泡沫铝吸声系数比较,其吸声系数对应频谱分析如图4所示 由图中可以看出,吸声系数的峰值随打孔率升高先升高后降低,吸声系数的峰值出现的频段随打孔率升高向高频迁移所对图4 不同打孔率吸声系数图Fig.4 Sound apsorbili ties of closed cell alum i numfoam wi th different perforation rates应的降噪系数值分别为0 3625,0 4155,0 3488,0 2855,0 3000,0 2925,0 2835,0 2388,随打孔率增加依次减小;半峰宽值相差不大 综合几项指标,其吸声性能变化规律与吸声系数的峰值变化规律基本一致第四组为密度0 3g/cm 3,打孔率1 5%,厚度10mm,背后空腔深度分别为5,10,30mm 时的闭孔泡沫铝吸声系数比较 吸声系数对应频谱分析如图5所示,由图中可以看出,吸声系数的峰值随背后空腔深度增加略有增加;降噪系数依次为0 2275,0 3408,0 3488;半峰宽值依次减小 综合以上3个指标可以看出,背后空腔深度的变化对吸声能力影响不大,在实际应用中只需考虑噪声频率特性选择合适的背后空腔深度即可图5 不同背后空腔深度吸声系数Fig.5 Sound absorbili ties of aluminum foamwith different back cavi ty depths3 结 论1)随密度的增加吸声系数的峰值降低,但降噪系数和半峰宽会出现随密度增加而增加的现象,整体吸声能力并不一致降低2)随厚度的增加吸声系数的峰值发生迁移,且略有降低,厚度为20mm 的试样降噪系数较好,半峰宽依次递增,吸声能力较优3)随打孔率的增加吸声系数的峰值先增大后减小,降噪系数依次降低,半峰宽基本相同,吸声能力与峰值变化一致4)随背后空腔深度的增加吸声系数的峰值依次增加,降噪系数依次增加,半峰宽依次减小,吸声能力相当 背后空腔深度只改变吸声频段未改变吸声能力 参考文献:[1]Liu P S,Liang K M.Fun ctional materials of porous m etals made by P/M ,electroplating and some other techniques[J ].J M ater Sci ,2001,36:5059-5072.(下转第132页)的迎尘面,呈现出明显的表面过滤特性,使阻力增长明显减慢,残余阻力降低,过滤周期延长2)在老化过滤阶段,高密面层起到了部分粉尘层的作用,使阻力增长过程也大大减缓3)在稳定过滤阶段,高密面层体现出了更加明显的优势,不但阻力增长速度慢、残余阻力低,且过滤周期是常规滤料的8倍,大大降低了喷吹清灰的能耗和对滤袋的机械损伤4)无论在洁净过滤阶段还是稳定过滤阶段,高密面层滤料的粉尘剥离率都高于常规滤料,表现了优异的清灰性能参考文献:[1]Binnig J,M eyera J,Kaspera G.Origin an d mechanisms ofdust emission from pulse jet cleaned fi lter media[J].Pow derT ec h nology,2009,189(1):108-114.[2]Chen C C,Yu W,Huang S H,et al.Experi m ental study onthe loading 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基体成分对Fe3Al基复合材料摩擦学性能的影响
（ ｅ ａ ｍ ｎ ｏ ａ ｒ ｌ Ｓｉ ｃ ｎ ｎｉｅｒ ｇ Ｓａ ｄｎ ａｚｕＵ ｉ ｒｔ， ｎｎＳａｄ ｎ ５ １ １ Ｃ ｉａ Ｄ ｐｒ ｅｔ ｆ ｔ ａ ｃ ｎｅａｄＥ ｇ ｅ ｎ ，ｈ ｎｏ ｇ ｉ ｈ ｎ ｅｓｙＪ ａ ｈｎｏ ｇ ０ ０ ，ｈｎ ） ｔ Ｍ ｅ ｓ ｅ ｉ ｎ ｉ Ｊｎ ｖ ｉ ｉ ２
料 性 能 恶 化 ，石 墨 的 最佳 含 量 为 ８ ～１％ （ ％ ２ 质量 分 数 ） 。
关键词 ：Ｆ １ ｅＡ ；摩擦 ；磨损 ；复合材料
中图 分 类 号 ：Ｔ １４ ４２ 文 献 标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０５ ０ ５ （ ０ １ Ｂ ７ ．４ ２４— １０ ２ １ ）７— ２ ５ ０ ２—
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鳞片石 墨 、Ａ 均 匀混 合 后 ，在 Ｍ ｌ－ ０ １ 粉 Ｏ ｕｔ５ ０多功 ｉ０ 能真空烧结炉 （ 日本 富士 株式 会社 生 产 ） 中进 行加
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国家开放大学2021至2022年(202101-202207)《1142建筑结构试验》期末考试真题及
试卷代号：1142国家开放大学2020年秋季学期期末统一考试建筑结构试验试题2021年1月一、单项选择题(每小题3分，共计36分.将选择结果填入括弧)1.下列各项，( )项不属于生产检验性试验。
A.检验预制构件的性能B. 鉴定结构的设计和施工C.鉴定服役结构的可靠性D.为制定设计规范提供依据2. ()具有频响快，灵敏度高，控制精度好，适应性强等优点，在建筑结构试验中应用范围较广。
A.液压千斤顶B. 电液伺服加载系统C.双向作用液压加载器D. 单向作用液压加载器3.贴电阻应变片处的应变为1500μe,电阻应变片的灵敏系数K=2.0,在这个电阻应变片上应产生的电阻变化率是下列哪一项?( )A.0. 1%B.0.2%C.0.3%D.0.4%4.采用非破损检测手段测试混凝土强度等级，下列哪一项是不当的?( )A.采用回弹法测定混凝土强度等级B.采用钻芯法测定混凝土强度等级C. 采用超声回弹综合法测定混凝土强度等级D. 采用超声波检测技术测定混凝土强度等级5.下列哪种方法可用于钢筋位置的检测?( )A. 钻芯法B. 超声法C.扁顶法D. 磁检测法6.下列各项中，( )项不属于结构试验设计的内容。
A. 试件设计B.试验加载设计C.试验观测设计D. 试件制作与安装7.对下列构件进行试件尺寸设计时，宜采用缩尺模型的是( )。
A. 屋架B.屋面板C. 偏心受压柱D. 吊车梁8.在结构试验的试件设计时，若设计试件的尺寸太小，要考虑( )的影响。
A. 重力效应B.尺寸效应C. 鞭梢效应D. 形状效应9.梁的()是梁的最基本最重要的工作性能之一，它直接决定梁的使用性能的好坏，也是确定梁的开裂荷载的指标之一。
A. 挠度值B.转角值C.应变值D. 应力值10.振动是物体运动的特殊形式，它的运动参数——位移、速度和加速度都是( )的函数。
A. 质量B. 时间C. 频率D.长度11. ()是利用频率可调的激振器，使结构产生振动，逐步地从低到高调节激振器频率。
热喷涂FeCrAl／Al复合涂层抗高温硫化的研究
涂层材料 电弧申 Ｖ 喷涂电流／ 雾化空气／ Ｐ 喷涂距离／ Ａ Ｍａ ｒ ｍ
使用硅酸盐溶液对喷涂后 的试件表面进行封孑 处理 ， Ｌ 然后进行热腐蚀试验。本文的实验室试验采用盐 膜实验法。在热腐蚀试验前 ， 首先对试件做 ９ ０％／ ０ ２ｈ的预扩散处理。 然后将经过预扩散处理的试件表面 用 Ｎ ０ 饱 和 盐水溶 液均 匀涂 敷 ， 盐量 为 ２～３ｍ ／ ｍ ， ａｓ 涂 ｇｃ 随后 在 烘箱 中烘 干 。采 用 精度 为 ｌ 。的 电子 精 ０ 密天平测量热腐蚀试验前后的试件重量变化 ， 每组数据为 ３ 个试件的平均值。试片放人烧至恒重的坩埚内， 在 箱式 电炉 中进行 热腐 蚀试验 。热 腐蚀 试验 温度 为 ９０ｏ 保 温 ３ｈ后 ， 件 随炉 冷 却到 室 温 。取 出试样 ， ０ Ｃ， 试 测量并计算试样单位表面积的质量增加 ， 并绘制腐蚀动力学曲线。 为考核该涂层体系在实际生产高温硫化环境下对钢铁基体的防护效果 ， 本文在灰铸铁试件表面喷涂了该 复合涂层， 并且将试件放置在焦碳方法生产二硫化碳的反应甑 中分别做 了长达 ２６４６５６ｈ的连续挂片试 １， ， ５ ７ 验。试验后 ， 分别采用配有能谱分析仪（ Ｄ ） Ｅ Ｘ 的扫描电镜 （Ｅ 和 ｘ射线衍射仪（ Ｒ ） Ｓ Ｍ） Ｘ Ｄ 对试件表面的腐蚀产 物 和复合涂层 的微 观组织 和物相结 构进行 了分析研 究 。
ＦＣＡ／ １ ｅ ｒ１Ａ 复合涂层的高温硫化表现 。实验结果表明：ｅ ｒ１Ａ 复合涂层提 高了钢铁材料的抗 高 ＦＣＡ／ １ 温硫化腐蚀 能力， 高温硫化初期 ， 在 外表面的 Ａ 涂层首先发生氧化 ， ｌ 形成连续的 Ａ２ ３ ， １ 层 显著地 ０ 减缓 了硫 原子 向复合 涂 层 内部 的扩 散 速 度 。随 着 复合 涂 层 中 ｃ 、 ｌ 有 效 抗硫 化 合金 元素 的 相 ｒＡ 等 互扩散 ， 成 ＦＣ 金属 间化 合 物层 ， 一 步 阻碍 硫 原 子扩 散 ， 形 ｅｒ 进 对钢铁 基 体 材 料提 供 有 效 的 高 温硫