一种超薄声透射相位调控薄膜及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于静电纺丝技术制作的超薄声相位调控薄膜及其制作方法，其中，所述制作方法包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。通过本发明专利技术制备得到的静电纺丝薄膜可以实现对多频段的声波进行调控。基于本发明专利技术的静电纺丝薄膜可以用于单独对声波相位进行调控，进一步地，还可以结合相应的切割技术或者其他技术实现多功能地对声波进行调节。

Ultra thin sound transmission phase control film and its making method

The invention discloses an ultra thin sound phase regulation film based on electrostatic spinning technology, and the preparation method comprises the following steps: mixing the metal particles or non metal particles with any density larger than the fiber material and the polymer material or the soft material solution of any modulus less than the particles The mixed solution is used as the raw material and the electrostatic spinning technology is used to get the electrostatic spinning fibers with particles, and then the electrospun fiber is formed by the accumulation of electrostatic spinning fibers. The electrospun film prepared by the invention can control the sound waves in the multi frequency band. The electrospun film based on the invention can be used to regulate the phase of the sound wave separately, and further, it can be used to adjust the sound wave in multifunction with the corresponding cutting technology or other technology.

【技术实现步骤摘要】
一种超薄声透射相位调控薄膜及其制作方法
本专利技术属于超材料领域，更具体地，涉及一种基于静电纺丝技术制作的超薄声相位调控薄膜及其制作方法。
技术介绍
对声波的调控对于噪声隔离与吸收、声通讯、声隐身、声成像、声能武器等有着重要的意义。而对于声波的调控最终都要归结于对声波在空间中强度和相位的变化的调节。目前，对声波相位进行调控以实现上述种种功能的方法有空间卷曲波导和声源阵列等。通过设计波导空腔的结构来改变透射声相位，在传播方向有限的距离内形成扭曲的传播通道，延长了传播路径，从而能在较短距离内获得巨大的相位改变。在垂直于入射方向的平面内设计不同位置有不同的相位改变就可以用来调控声场的分布。另外利用声源阵列的方法，也可以利用电流来控制不同位置声源的相位变化。前者是无源的调控方式，而后者是有源的。无源的方式更加节能，器件也相对更小更便携，而有源的方式能够进行实时的调控。例如，ZixianLiangandJensenLi,etal.ExtremeAcousticMetamaterialbyCoilingUpSpace[J].PhysicsReviewLetters,2012,108,114301，以及EdouardNesvijski.ProblemsofAcousticSourcesLocationin3DMedium[J].JournalofThermoplasticCompositeMaterials,2005,18(4):351-362，分别利用空间卷曲波导和声源阵列来对声波相位进行调控，以实现不同的声学应用。然而，采用空间卷曲波导方式都需要厚的钢板作为波导或者硬边界来隔离声波，使得整个装置笨重庞大，也不易加工，成本也较高，限制了其应用范围。而声源阵列的方法不仅有能耗的问题，并且有电源，整个装置会更加庞大，不利于实际应用。并且堆叠相位单元的方法由于其体积不能忽略，其具体效果的精度有限。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种超薄声透射相位调控薄膜及其制作方法，由此解决现有对声波进行调控的方式所存在的能耗较高，精度较低以及成本较高等的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种超薄声透射相位调控薄膜的制作方法，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。优选地，所述任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。优选地，所述静电纺丝薄膜的面积与用于喷丝的注射器在垂直于喷丝方向的平面内的移动范围有关，所述移动范围越大，所述静电纺丝薄膜的面积越大。优选地，所述静电纺丝薄膜的厚度与纺丝时间有关，所述纺丝时间越长，所述静电纺丝薄膜的厚度越厚。优选地，所述静电纺丝纤维的直径与纺丝电压有关，所述纺丝电压越大，所述静电纺丝纤维的直径越小。优选地，所述静电纺丝薄膜中的颗粒数目与颗粒和高分子材料或者软材料溶液的质量比有关，所述质量比越大，所述静电纺丝薄膜中所含的颗粒数目越多。按照本专利技术的另一方面，提供了一种由上述任意一项所述方法制作的静电纺丝薄膜。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。(2)通过本专利技术制备得到的静电纺丝薄膜可以实现对多频段的声波进行调控。(3)基于本专利技术的静电纺丝薄膜可以用于单独对声波相位进行调控；(4)基于本专利技术的静电纺丝薄膜还可以结合相应的切割技术进行剪切而制作成多功能的器件或者其他技术实现多功能地对声波进行调节。(5)基于本专利技术的静电纺丝薄膜其厚度可控，纺丝时间越长，厚度越厚；稳定成膜的厚度最薄仅为20微米，为所调控波长1/650，远薄于当前水平(约1/250)，使其能应用在更多的场景。(6)在本专利技术制备得到的静电纺丝薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。(7)采用本专利技术的静电纺丝薄膜对声波相位进行调控的实现方式是无源的，在能耗和便携性上具有优势。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种静电纺丝装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图3是本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图4是本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图5是本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图6为本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；图7为本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；图8为本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；图9为本专利技术实施例提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术基于静电纺丝技术制作了超薄声相位调控薄膜。由于薄膜中颗粒的振动，会引起声波透射相位发生180度的变化。薄膜的声响应频率主要决定于纺丝纤维与颗粒的密度、模量比，总颗粒占与纤维材料的质量比，和薄膜的厚度等。而这些参数都可以通过材料配比和纺丝参数进行调节。这种薄膜可大面积连续制造，进一步地，这种薄膜可以结合相应的切割技术进行剪切而制作成多功能的器件。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。本专利技术中的超薄的含义为：通常的被动式相位改变材料或者装置的实际厚度(主要指垂直于声传播方向的厚度)都在1厘米以上，按照厚度与调控声波波长的比来算，现有报道的都在1/250以上。而通过本专利技术制作的薄膜实际尺寸为30微米～300微米，厚度与调控声波波长的比最低仅为1/650。如图1所示是本专利技术实施例提供的一种静电纺丝装置的结构示意图，在图1中，接收滚筒用于接收喷出的静电纺丝，推进器用于推动注射器给液，针头用于初步限制液流直径，高压电源加在针头以形成静电场从液流中抽出细丝。本专利技术实施例提供的一种超薄声透射相位调控薄膜的制作方法，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；在一个可选的实施方式中，任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超薄声透射相位调控薄膜的制作方法，其特征在于，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种超薄声透射相位调控薄膜的制作方法，其特征在于，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝薄膜的面积与用于喷丝的注射器在垂直于喷丝方向的平面内的移动范围有关，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧剑锋，祝雪丰，唐瀚川，唐妮，李帅锋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42