本實用新型屬于吸聲材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聲學(xué)超材料。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展,噪聲污染已經(jīng)成為世界性難題，吸聲降噪逐漸演變?yōu)橐粋€有關(guān)科技、環(huán)境、人類協(xié)調(diào)發(fā)展乃至現(xiàn)代軍事等各方面的重要課題。

因此，各種各樣的吸聲材料隨之產(chǎn)生，目前被廣泛作為吸聲材料的是選自玻璃棉、巖棉等無機纖維類墊，聚酯等有機纖維類墊，燒結(jié)金屬發(fā)泡體、玻璃發(fā)泡體、陶瓷器發(fā)泡體、水泥發(fā)泡體、橡膠海綿、聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫等發(fā)泡體等的多孔質(zhì)基材。這些多孔質(zhì)基材具有連通的復(fù)雜的氣泡及氣孔流路等微細空間，也即是已有的吸聲材料憑借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而對入射聲能具有吸收作用的材料。當聲波入射至多孔質(zhì)基材時，由于該微細空間的空氣粘性阻力、與材料的摩擦、材料的振動，聲能轉(zhuǎn)換成熱量，從而使得聲波被多孔質(zhì)材料吸收。

但是，這些多孔質(zhì)基材雖然在高頻區(qū)域內(nèi)的吸聲特性優(yōu)異，而在2000Hz以下的中頻及低頻區(qū)域內(nèi)的吸聲特性卻差。通過增加多孔質(zhì)基材的厚度，雖然能夠提高在中頻及低頻區(qū)域內(nèi)的吸聲特性，但沒有達到足以令人滿意的效果。此外，隨著多孔質(zhì)基材的厚度增加，吸聲材料的材料成本增加，還有，通過增加重量、厚度，會存在損害施工性的問題，而且纖維材料或泡沫材料制備吸聲材料還存在力學(xué)性能差、易燃、易潮、防腐性能差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種聲學(xué)超材料，以解決現(xiàn)有為吸聲材料吸聲特性特別是中頻及低頻區(qū)域內(nèi)的吸聲特性卻差和力學(xué)性能差、易燃、易潮、防腐性能差的技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型一方面，提供了一種聲學(xué)超材料。所述聲學(xué)超材料包括樹脂基體在所述樹脂基體中還嵌有若干吸波微結(jié)構(gòu)，所述吸波微結(jié)構(gòu)為核殼結(jié)構(gòu)；所述核殼結(jié)構(gòu)是以金屬顆粒為核體，以彈性體為殼層并包覆所述核體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型聲學(xué)超材料所含的吸波微結(jié)構(gòu)采用彈性體包覆金屬顆粒，以形成吸波微結(jié)構(gòu)的局部共振單元，能夠靈活對金屬顆粒粒徑的控制實現(xiàn)在不同頻率處達到等效負質(zhì)量密度，從而實現(xiàn)不同頻率的聲波進行吸收。另外，本實用新型聲學(xué)超材料還能通過對樹脂基體的控制和選用，賦予本實用新型聲學(xué)超材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中：

圖1為本實用新型實施例提供的聲學(xué)超材料主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的聲學(xué)超材料按照圖1中A-A’的截面一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的聲學(xué)超材料按照圖1中A-A’的截面另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型實施例提供的聲學(xué)超材料所含的吸波微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

一方面，本實用新型實施例提供了一種具有良好吸聲效果的聲學(xué)超材料。在一實施例中，所述聲學(xué)超材料包括樹脂基體1和若干吸波微結(jié)構(gòu)2，如圖1-4所示。

所述樹脂基體1用于負載所述吸波微結(jié)構(gòu)2，因此，只要是能夠負載所述吸波微結(jié)構(gòu)2的所有所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)均在本實用新型說明書所公開的范圍。在一實施例中，所述樹脂基體1結(jié)構(gòu)形狀可以根據(jù)本實用新型實施例聲學(xué)超材料具體應(yīng)用的需要進行靈活設(shè)置，如在具體實施例中，所述樹脂基體1可以是基板。在具體實施例中,該樹脂基體1可以是2-5cm的基板。

另外，只要是能夠負載所述吸波微結(jié)構(gòu)2的所有樹脂材料所形成的樹脂基體1也均在本實用新型說明書所公開的范圍。在一實施例中，該樹脂基體1材料為選用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂中的至少一種。所選用的樹脂如環(huán)氧樹脂作為樹脂基體1材料，使得本實用新型實施例聲學(xué)超材料不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，還具有優(yōu)異的防腐性能、阻燃性能和防潮等性能，另外，還能方便對所述吸波微結(jié)構(gòu)2進行負載。

聲學(xué)超材料所含的若干吸波微結(jié)構(gòu)2是嵌入在所述樹脂基體1中的，具體的該吸波微結(jié)構(gòu)2可以嵌入在樹脂基體1的表面，也可以嵌入在基體1的內(nèi)部，如圖2所示。在優(yōu)選實施例中，吸波微結(jié)構(gòu)2設(shè)置成嵌入在樹脂基體1的內(nèi)部，如圖3所示，以提高本實用新型聲學(xué)超材料的吸聲性能的穩(wěn)定性。

另外，該吸波微結(jié)構(gòu)2在樹脂基體1中的分布可以是隨機分布，在一實施例中，將所述吸波微結(jié)構(gòu)2按立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入在所述樹脂基體1內(nèi)部，以提高聲學(xué)超材料的吸聲效果。其中，立方晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)當理解成本領(lǐng)域常規(guī)所述的立方晶格分布結(jié)構(gòu)。

在一實施例中，所述吸波微結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其為核殼結(jié)構(gòu)，是以金屬顆粒21為核體，以彈性體22為殼層并包覆所述金屬顆粒21核體。

其中，所述金屬顆粒21的粒徑可以根據(jù)聲波的頻率進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)不同頻率的波段進行吸收。在一實施例中，該金屬顆粒21的粒徑4-10mm。如在一實施例中，將金屬顆粒21的粒徑控制為4-8mm，所述彈性體22層包覆該粒徑范圍的金屬顆粒21，使得該粒徑的金屬顆粒21與彈性體22層發(fā)生協(xié)效作用下，以實現(xiàn)對高頻率聲波進行吸收。在另一實施例中，將金屬顆粒21的粒徑控制為6-10mm，所述彈性體22層包覆該粒徑范圍的金屬顆粒21，使得該粒徑的金屬顆粒21與彈性體22層發(fā)生協(xié)效作用下，以實現(xiàn)對低頻率聲波進行吸收。

在進一步實施例中，將所述金屬顆粒21包括粒徑為6-10的第一金屬顆粒和粒徑為4-8的第二金屬顆粒；且所述第一金屬顆粒與第二金屬顆粒的數(shù)量按照1：(1-2)。所述彈性體22層分別包覆該粒徑范圍的第一金屬顆粒和第二金屬顆粒21，將大顆粒粒徑和小顆粒粒徑的該金屬顆粒21進行復(fù)配使用，使得該復(fù)合粒徑的屬顆粒21與彈性體22層發(fā)生協(xié)效作用下，以實現(xiàn)對寬頻率聲波進行吸收。

在上述各實施例的基礎(chǔ)上，所述金屬顆粒為鉛顆粒、鐵顆粒、鎳顆粒中的至少一種。

所述彈性體22殼層包覆在所述金屬顆粒21核體包面上，形成一具有彈性的緩沖層，當聲波傳播至彈性體22的時，該彈性體22殼層與金屬顆粒21發(fā)揮協(xié)效作用，以實現(xiàn)對聲波吸收起到消聲的效果。在一實施例中，彈性體22殼層的厚度控制為2-3mm。通過對彈性體22殼層厚度的控制，使其與不同顆粒的金屬顆粒21發(fā)生協(xié)效作用，提高吸波微結(jié)構(gòu)的吸波效果。在具體實施例中，所述彈性體22選用硅橡膠、氟橡膠中的至少一種。

因此，由上述所述，本實用新型實施例聲學(xué)超材料所含的吸波微結(jié)構(gòu)2采用彈性體22包覆金屬顆粒21，以形成吸波微結(jié)構(gòu)的局部共振單元，使得彈性體22起到吸波的緩沖作用，實現(xiàn)吸聲效果。通過對金屬顆粒21的粒徑和彈性體22層的厚度的控制，實現(xiàn)對吸波微結(jié)構(gòu)2的尺寸控制，使得本實用新型實施例聲學(xué)超材料能夠?qū)崿F(xiàn)在不同頻率處達到等效負質(zhì)量密度，從而實現(xiàn)不同頻率的聲波進行吸收。另外，本實用新型實施例聲學(xué)超材料還能通過對基體材料的控制和選用，賦予本實用新型聲學(xué)超材料優(yōu)異的力學(xué)性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能。

在一實施例中，上文所述的本實用新型實施例聲學(xué)超材料可以按照如下制備方法制備。結(jié)合附圖1-4，本實用新型實施例聲學(xué)超材料的制備方法包括如下步驟：

步驟S01：在金屬顆粒表面形成包覆所述金屬顆粒的彈性體；

步驟S02：將若干包覆有所述金屬顆粒的彈性體分散至樹脂預(yù)浸料中，進行固化處理。

具體地，上述步驟S01中的金屬顆粒如上文本實用新型聲學(xué)超材料中所述的金屬顆粒21，彈性體也為如上文本實用新型實施例聲學(xué)超材料中的所述彈性體22，為了節(jié)約篇幅，在此不再贅述。在一實施例中，在對金屬顆粒表面形成所述彈性體之前還包括對所述金屬顆粒的預(yù)清洗處理的步驟。所述預(yù)清洗處理是為了除去金屬顆粒由于加工過程中殘留的雜質(zhì)，或者后續(xù)工藝中附上的雜質(zhì)，以提高后續(xù)步驟中工藝處理，如增強彈性體包覆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。在一實施例中，對所述金屬顆粒的預(yù)清洗處理是先用稀鹽酸洗滌，再用水沖洗。對經(jīng)預(yù)清洗處理后的干燥處理是為了除去預(yù)清洗過程中殘留的溶劑，如水等。在一實施例中，干燥處理是將經(jīng)預(yù)清洗處理后的金屬顆粒于120-150℃干燥1-3小時；

另外，當金屬顆粒有不同粒徑范圍時，為了方便彈性體的形成和進行下述步驟S02中的工藝，在預(yù)清洗之前或者干燥處理之后，優(yōu)選的對所述金屬顆粒進行粒徑的分類。更優(yōu)選的是在預(yù)清洗之前進行粒徑的分類。

在一實施例中，所述彈性體的形成方法如下：

將步驟S01中所述金屬顆粒放入模具中，注入彈性體膠液、交聯(lián)劑和催化劑，在真空環(huán)境中進行固化成型處理。

其中，注入彈性體膠液的量是根據(jù)固化形成的彈性體層的厚度和金屬顆粒的粒徑而調(diào)整的。在一實施例中，彈性體膠液選自硅橡膠膠液、氟橡膠膠液中的至少一種。在另一實施例中，交聯(lián)劑選自多烷氧基硅烷、多丁酮肟基硅烷、多乙酰氧基硅烷、多胺基硅烷、多酰胺基硅烷、多異丙烯氧基硅烷、含氫硅油中的至少一種，或進一步的，所述交聯(lián)劑與彈性體膠液的質(zhì)量比為(5-30)：100。在又一實施例中，所述催化劑選自有機錫、鈦酸酯、胺中的至少一種，或進一步的，所述催化劑與彈性體膠液的質(zhì)量比為(5-15)：100。通過對彈性體膠液、交聯(lián)劑和催化劑的種類或進一步對用量的控制，使得彈性體膠液在交聯(lián)劑和催化劑的作用下，發(fā)生分子交聯(lián)反應(yīng)生成彈性體，并提高該彈性體與金屬顆粒之間的協(xié)效作用，以實現(xiàn)對聲波吸收起到消聲的效果。

上述步驟S02中，將包覆有所述彈性體的金屬顆粒分散至樹脂預(yù)浸料中后，金屬顆粒能夠在樹脂預(yù)浸料中均勻分散，從而保證最終制備的聲學(xué)超材料吸聲效果及其性能的穩(wěn)定性。

將分散有金屬顆粒的樹脂預(yù)浸料的固化處理可能根據(jù)樹脂預(yù)浸料的特性按照常規(guī)工藝條件進行固化，優(yōu)選的在固化處理過程或者之前對樹脂預(yù)浸料進行真空脫泡處理。在一實施例中，所述脂預(yù)浸料中還含有固化劑，并在真空環(huán)境中進行固化處理。在一實施例中，樹脂預(yù)浸料選自選用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂中的至少一種樹脂預(yù)浸料。在另一實施例中，固化劑選自乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、二丙烯三胺等中的至少一種，或進一步的，所述固化劑與樹脂預(yù)浸料的質(zhì)量比為(10-30)：100。通過對樹脂預(yù)浸料和第二固化劑的種類或進一步對用量的控制，使得樹脂預(yù)浸料在第二交聯(lián)劑和第二催化劑的作用下，發(fā)生分子交聯(lián)反應(yīng)生成性能穩(wěn)定的樹脂基體。

本實用新型聲學(xué)超材料采用彈性體直接對金屬顆粒進行包覆，從而不僅使得形成的吸波微結(jié)構(gòu)共振單元能夠吸聲的作用，而且保證了彈性體包覆層的均勻性，提高其良品率，從而提高了制備的聲學(xué)超材料吸聲效果。另外，該方法工藝條件可控，制備的聲學(xué)超材料性能穩(wěn)定，而且生產(chǎn)效率高，降低了生產(chǎn)成本。

由于本實用新型實施例聲學(xué)超材料具有如上述的能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率的聲波進行吸收特性，而且具有優(yōu)異的力學(xué)性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能，而且其制備方法能夠保證其吸聲性能的穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，其可以被廣泛的被應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，如將本實用新型實施例聲學(xué)超材料應(yīng)用于汽車發(fā)動機、飛行器發(fā)動機、潛艇、機械、服務(wù)器、飛機座艙、建筑材料中。從而賦予該含有本實用新型聲學(xué)超材料的設(shè)備具有良好的消聲特性，降低噪音污染。

另一方面，基于上文所述的聲學(xué)超材料，本實用新型實施例還提供了一種具有吸聲頻率寬的裝置，所述裝置包括聲學(xué)超材料部件，且所述聲學(xué)超材料部件為1-7任一所述的聲學(xué)超材料。由于是采用上文所述的聲學(xué)超材料作為聲學(xué)超材料部件。因此，該裝置具有對不同頻率的聲波進行吸收的特性，而且吸收效果好，且聲學(xué)超材料部件力學(xué)性能、防腐性能、阻燃性能和防潮等性能好。

現(xiàn)提供多個上述聲學(xué)超材料實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。

實施例1

本實施例提供一種聲學(xué)超材料及其制備方法。本實施例聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)如附圖1-4所示，其包括環(huán)氧樹脂基體1和按立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入在環(huán)氧樹脂基體1內(nèi)的若干吸波微結(jié)構(gòu)2；其中，所述吸波微結(jié)構(gòu)2以金屬顆粒21為核體，以彈性體22為殼層并包覆所述金屬顆粒21核體，且所述金屬顆粒21的直徑為10mm的鉛顆粒，彈性體22層材料為硅橡膠，厚度控制為2mm。該聲學(xué)超材料具有在低頻處產(chǎn)生負等效質(zhì)量密度特性。

本實施例聲學(xué)超材料制備方法如下：

S11：將鉛金屬顆粒進行篩選出10mm的金屬顆粒；

S12：將金屬顆粒先用稀鹽酸洗滌，再用水沖洗；

S13：烘烤步驟S12中經(jīng)洗滌后的所述金屬顆粒于120-150℃干燥1-3小時；

S14：將步驟S13中經(jīng)干燥的金屬顆粒放入直徑為14mm尺寸的鑄型模具，注入對應(yīng)107膠，并加入多烷氧基硅烷交聯(lián)劑和有機錫催化劑，并抽真空，固化成型，獲得圖4所示金屬心橡膠球；

S15：篩選合格的制備好的鉛心橡膠球，并將其按立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入在環(huán)氧樹脂預(yù)浸料中；加入乙二胺固化劑，放入真空箱內(nèi)抽真空，排盡內(nèi)部氣泡，注入模具，固話成型。

實施例2

本實施例提供一種聲學(xué)超材料及其制備方法。本實施例聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)如附圖1-4所示，其結(jié)構(gòu)與實施例1中的聲學(xué)超材料相同，不同之處在于所述金屬顆粒21的包括直徑為10mm鉛顆粒和6mm鐵顆粒的混合物，且采用彈性體22層分別包覆10mm鉛顆粒和6mm鐵顆粒，且彈性體22層的厚度控制為2mm，將兩種粒徑的吸波微結(jié)構(gòu)2按數(shù)量1:1和立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入在酚醛樹脂基體1內(nèi)。該聲學(xué)超材料具有在寬頻段吸波特性。

本實施例聲學(xué)超材料制備方法如下：

S21-S23：按照實施例1中步驟S11-S12分別獲得直徑為10mm鉛顆粒和6mm鐵顆粒；

S24將步驟S23中經(jīng)干燥的直徑為10mm鉛顆粒放入直徑為14mm和6mm鐵顆粒放入直徑為10mm尺寸的鑄型模具，注入對應(yīng)107膠液，并加入多胺基硅烷交聯(lián)劑和鈦酸酯催化劑，并抽真空，固化成型，獲得圖4所示鉛心橡膠球；

S25：篩選合格的制備好的鉛心橡膠球，并將其按數(shù)量1:1和立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入在酚醛樹脂預(yù)浸料中；加入乙二胺固化劑，放入真空箱內(nèi)抽真空，排盡內(nèi)部氣泡，注入模具，固話成型。

實施例3

本實施例提供一種聲學(xué)超材料及其制備方法。本實施例聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)如附圖1-4所示，其結(jié)構(gòu)與實施例1中的聲學(xué)超材料相同，不同之處在于所述金屬顆粒21為直徑為2mm的鎳顆粒，彈性體22層厚度控制為1mm。該聲學(xué)超材料具有在高頻處產(chǎn)生負等效質(zhì)量密度特性。

該聲學(xué)超材料具有在寬頻段吸波特性。

本實施例聲學(xué)超材料制備方法如下：

S31-S33：按照實施例1中步驟S11-S12獲得直徑為2mm的鎳顆粒；

S34將步驟S23中經(jīng)干燥的金屬顆粒放入直徑為4mm尺寸的鑄型模具，注入對應(yīng)氟橡膠，并加入多異丙烯氧基硅烷交聯(lián)劑和胺催化劑，并抽真空，固化成型，獲得圖4所示金屬心橡膠球；

S35：篩選合格的制備好的鉛心橡膠球，按設(shè)計按立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入在氰酸酯樹脂預(yù)浸料中；加入三乙烯四胺固化劑，放入真空箱內(nèi)抽真空，排盡內(nèi)部氣泡，注入模具，固話成型。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包括在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。