具有负弹性常数的组合材料及其制法制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于低频隔音组合材料及其制法。该组合材料具有一种作为一般结构材料的基体材料，一些在基体材料内的软弹性材料区和镶嵌在软弹性材料内的密度相当高和刚度高的坚硬材料区。本发明专利技术所提供的组合材料可以有一个或一个以上的共振频率，在这些频率上，声波的传输大大受阻。基体材料可以形成结构性能良好的组合材料，也可以用相当薄的组合材料对相当低频的声音提供屏蔽。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的组合材料显示负弹性常数，特别是涉及适用于低频隔音的材料及其制法。存在各种力图阻隔声音传输的材料。现有的具有隔音功能的组合材料，包括如美国专利5564241所叙述的吸音板，在这种吸音板中设有吸音层，或者在结构层上贴有吸音层。而在美国专利5512715中叙述的其它材料是一些很复杂的组合材料。人们发现，在所有情况下，提供低频声波的屏蔽都是困难的。最大的困难在于，为了散射或反射声波，散射体的尺寸必须与声波波长有相同的数量级。由于低频声音的波长长，所以屏蔽材料必须很厚或者很软。显然，在包括建筑业在内的许多应用中，在可允许的厚度受到限制的场合，很厚的材料是不适宜的。由于软材料可以缩短波长，所以用很软的材料时可以制成较薄的层，但是，其使用又受到材料结构强度低的限制。通常，材料的静弹性常数是正的，这是结构稳定的一个必要条件，否则，自发的形变会使系统达到一个较低的弹性能水平。如果弹性常数不是正值，则就意味着不稳定，但是，假如负弹性常数是可能的，那么至少在一些特定频率下，这些声波不能在这种材料中传输。因此，在低频下，有负弹性常数的材料可使相当薄的材料对特定频率的声波起滤音器或隔音板的作用。本专利技术的目的是提供一种至少在特定频率范围内具有岁负弹性常数的组合材料，以屏蔽或隔离这些频率的声波。因此，第一方面，可以看作是，本专利技术在于提供一种组合材料，这种材料有一般结构材料的基本材料，一些在这种基体材料中的软弹性材料区和一些被镶嵌在软弹性材料中的密度相当高和刚度高的坚硬材料区。因此，第二方面，本专利技术在于提供一种方法，以制造在一些有限频率上具有负弹性常数的组合材料，这种组合材料包括在软弹性材料区域内镶嵌密度相当高和刚度高的坚硬颗粒镶嵌软弹性材料区域和在用作结构材料的基体材料中。本专利技术的优点在于所提供的组合材料可以有一个或一个以上的共振频率，在这些频率上，声波的传输大大受阻。基体材料可以形成结构性能良好的组合材料，也可以用相当薄的组合材料对相当低频的声音提供屏蔽。可以通过选择颗粒的尺寸和形状对组合材料进行调整以消除一些特定频率，或者可以通过混合不同尺寸和形状的颗粒提供较宽的(频率)范围。下面将参考附图叙述本专利技术，附图包括附图说明图1表示本专利技术的一个可能实施方案的一个代表性的横截面；图2表示本专利技术的一个实施方案与另外一些材料比较结果的曲线。图3是本专利技术一个可能实施方案的示意图图4表示本专利技术一个实施方案的理论模型结果的曲线表示；图5本专利技术一个实施方案的理论值和实际实验值的曲线表示。图3中曲线表示说明 纯橡胶球 纯橡胶球和带树脂的橡胶球 树脂加涂橡胶的金属球优选实施方案详述本专利技术涉及一些具有负弹性常数的组合材料。这种材料主要可用于在特定频率范围内减弱声音的传输。因此，这种组合材料作为声音，特别是低频声音的隔离体或屏蔽板是特别有用的。该组合材料可用于各种应用，包括隔音以及制造弹性波导和弹性波反射器。为了保证结构的稳定性，一个先决条件是静态弹性常数是正的。否是，负的弹性常数可引起自发形变，致使材料可能达到一个较低的弹性能水平。但是在某些，在包含两种或两种以上组元的组合材料中可能出现负的有效弹性常数，而又不破坏结构的稳定性。换句话说，在整个组合材料中微观弹性常数为正时，在某些频率范围内，对传输波来说，有效应力的相位与有效应变的相位相差180°。倘若组合材料的微结构尺寸远小于波长，那么这负有效弹性常数的概念是有效的。已经发现，这种组合物具有意想不到的新奇性质。在一个优选实施方案中，这种组合材料可其有一个或一个以上的负弹性常数的低频区域。这些频率区域可以通过改变组合物的设计参数得到调整。在这些频率区域内，这种负弹性常数会阻止弹性波的传输，实际上这些波会逐渐消失。现在参考附图和至少一个优选实施方案对这种组合物的制造基本原理进行叙述。按照定义，除弹性常数是应力和应变之间的比例常数，它是弹性响应的函数。负的弹性常数直接意味着应力响应与应变在相位上的相差180°。应该注意到，当信号频率改变通过共振频率时，响应函数改变符号。例如，当共振频率为ω0时，那么在高于ω0的频率时，由于系统的惯性，系统的响应将滞后外加源180°。因此。可以得出结论，为了产生负的弹性常数，我们可以采用具有低频弹性共振的组合材料。参考图1，如图所示，三组元组合物的微结构元可具有一定的共振。在图1中，“A”表示坚硬的颗粒，这种颗粒由密度相当高和刚度高的材料如钢或锡制成。“B”表示包围在这种密度高和刚度较高材料周围的软弹性材料，如橡胶。最后，“C”表示基体材料，基体材料可以是任何结构材料或塑料，聚合物一混凝土、有机玻璃等。可以假设在“A”和“B”之间以及“B”和“C”之间的界面处是弹性接触。由于在两种高刚度材料“A”和“C”之间存在软弹性材料“B”，所以可能存在由颗粒“A”和基体之间的相对运动引起的低频共振。这种特定的共振频率由软材料“B”的弹性常数和材料“B”及坚硬颗粒“A”两种材料的密度确定。有可能存在许多共振模式。最低频率共振模式是由于颗粒相对基体的质心运动引起的，较高频率模式是由软弹性材料的共振模式引起的。由于颗粒“A”的尺寸小于低频波长以及基体材料和软的材料“B”之间的阻抗失配非常大，所以只能有很少的能量从传输波转移到散射体。但这种情况在共振频率附近可有急剧的变化。在共振频率上，“A”和“B”组合单元的有效阻抗增加，因而波的能量可能转移到共振散射体。特别是，在略低于共振频率的频率上，有效弹性常数可能是负的。因而，在这些频率，波不能传输，而被强烈地吸收。实施例1现在举一个特定实施方案的制造过程实例和实验数据。为了使表面粗糙，首先用稀释的H2O∶HCL∶H2O2(5∶1∶1)对相当单分散的金属球进行表面处理，然后在炉子中，在80℃的温度下加热两小时。之后用矿质松节油稀释的硅酮密封材料涂复已处理的球。使涂在球上的橡校层放置10小时。最后，把涂橡胶的金属颗粒与快速固化树脂混合，然后成形为厚度为12mm的板材。用下述方法进行声音传输的测量。把安装在上述板下面和上面的电子振荡器和探测器分别连接到函数发生器(HPPM5139)和双筒扩音器(Dual Microphone Supply)(B&K Model5935)上。把扩音器的输出连接数字示波器(HP PM 3365)上。在固定输入电压下，当改变频率时就可读出传输的声音强度。实验结果表示在图2中，可以看出，与纯橡胶球和带树脂的橡胶球没出现急剧的传输下陷相反，在树脂加涂橡胶的金属球的情形中，材料在100赫兹频率窗口内明显地表现出有减弱传输的效果。在传输的最低点，传出的能量仅为低频极限值的3％，发生此效果的样品厚度仅为树脂中波长的1/330，在该频率下的波长约4米。在较高频率下还明显看到第二个下陷。由于本样品是用相当单分散的球制造的，所以，可以预见，采用多分散的球会加宽下陷。而且，如果改变平均尺寸，最低传输频率也会移动一球越大，共振频率就越低，相反亦然。为了理解所观测到的现象，并证实本专利技术的基本思想，我们进行了数值计算。我们考虑具有图3所示几何形状的单元。由于基体介质是相当坚硬的，在这种材料传输的低频波的波长与这单元相比是很大的。因此，在零级近似中，我们可以把单元与基体界面的运动处理为简单的均匀位移。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于低频隔音的显示负弹性系数的组合材料，该组合材料具有一种作为一般结构材料的基体材料，一些在基体材料内的软弹性材料区和镶嵌在软弹性材料内的密度高和刚度高的坚硬材料区。

【技术特征摘要】
1．一种适用于低频隔音的显示负弹性系数的组合材料，该组合材料具有一种作为一般结构材料的基体材料，一些在基体材料内的软弹性材料区和镶嵌在软弹性材料内的密度高和刚度高的坚硬材料区。2．按照权利要求1所述的组合材料，其特征在于所述密度高和刚度高的坚硬材料的镶嵌区包含有规则形状的颗粒。3．按照权利要求2所述的组合材料，其特征在于所述那些规则形状的颗粒是一些球形颗粒。4．按照权利要求2所述的组合材料，其特征在于所述材料中的所述规则形状的颗粒还包括园柱棒。5．按照权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈平，肖荣福，温维佳，刘正猷，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]