一种核壳结构水下吸声复合材料及其制备方法

本发明属于水下吸声材料，涉及一种核壳结构水下吸声复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着水下设备的不断发展，水下吸声降噪问题成为一个日益严重而又迫切需要解决的问题。随着水下主动声纳向低频方向发展，要求敷设在其表面的吸声覆盖层向着低频方向发展，为了达到水下设备对声学技术的要求，通过结构的设计，实现水下吸声结构较好的低频吸声性能具有重要的工程应用前景。

2、为了解决现有水下吸声材料存在的问题，现阶段主要通过在树脂基体中构造空腔结构，实现声波的耗散。例如公开号为cn115547285a的专利记载了一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层，在声学覆盖层内的空腔插入金属插板，有效提高了结构在静水压下的耐压性能，提高了结构在中频范围内的吸声效果，但并未有效改善复合材料水下低频吸声性能差的问题。公开号为cn111696510a的专利记载了一种阻尼材料填充泡沫金属内嵌周期性空腔型水下吸声结构，该发明具有优异的力学性能以及良好的水下吸声性能。但水下低频(例如1khz)吸声性能也未提及。可见现有技术在提高水下低频吸声性能方面，还存在短板。

3、因此，有必要提供一种改进的核壳结构水下吸声复合材料及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种核壳结构水下吸声复合材料及其制备方法，通过外壳具有压电性质，且含有空心夹层的核壳结构，提高水下吸声复合材料在低频段的吸声性能。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种核壳结构吸声材料，包括内核和外壳，所述内核的直径为0.1～3mm，外壳的内径为0.2～5mm，且外壳的内径大于内核的直径，所述外壳的材质包括压电材料。

3、进一步的，所述内核的直径为0.5～1.5mm，外壳的内径为1～3mm，外壳的厚度为0.1～1mm；

4、和/或，所述压电材料包括无机压电材料和/或有机压电材料，所述无机压电材料包括石英、钛酸钡系、锆钛酸铅、铌酸锂中的一种或多种，所述有机压电材料包括聚偏氟乙烯；

5、和/或，所述内核的材质包括氧化锆、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛、氧化铁、氧化钙中的一种或多种。

6、进一步的，所述外壳还包括辅助材料，所述辅助材料包括氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛、氧化铁、氧化钙中的一种或多种。

7、第二方面，本发明提供一种以上任一项所述核壳结构吸声材料的制备方法，包括：

8、s1、将内核球体装入第一空心球形模具中，然后将熔融的包裹材料灌入第一空心球形模具中，固化成型得到包裹实心球；所述包裹材料为熔点在50～90℃的聚合物材料；

9、s2、将包裹实心球装入第二空心球形模具中，然后将外壳浆料灌入第二空心球形模具中，在第一热处理温度下保温使外壳浆料初步固化，然后升温至第二热处理温度使所述包裹材料熔融流出，得到夹层核壳球体；

10、所述第一热处理温度低于所述包裹材料的熔点，所述第二热处理温度高于所述包裹材料的熔点；

11、s3、将步骤s2得到的夹层核壳球体升温烧结，得到所述核壳结构吸声材料。

12、进一步的，所述包裹材料为聚乙二醇和/或石蜡，所述外壳浆料包括陶瓷粉体、羧甲基纤维素、分散剂、粘结剂和水；所述陶瓷粉体包括压电陶瓷粉体；

13、步骤s3包括：将所述夹层核壳球体以1～3℃/min升温至300～400℃保温1～5小时，然后以1～5℃/min升温至1200～1600℃保温1～5小时，得到所述核壳结构吸声材料。

14、进一步的，所述内核球体为直径为0.8～1.2mm的氧化锆球体，所述第一空心球形模具的内径为1.5～2.5mm，所述第二空心球形模具的内径为2.5～3.5mm；

15、所述外壳浆料按重量份包括氧化铝陶瓷粉体30～35份、压电陶瓷粉体9～15份、羧甲基纤维素0.1～0.2份、聚丙烯酰胺0.1～0.3份、卡拉胶0.1～0.2份、水15～20份。

16、第三方面，本发明提供一种核壳结构吸声复合材料，包括阻尼材料和分布于所述阻尼材料内的核壳结构吸声材料，所述核壳结构吸声材料为以上所述的核壳结构吸声材料。

17、进一步的，所述阻尼材料为聚氨酯或橡胶。

18、第四方面，本发明提供一种以上所述的核壳结构吸声复合材料的制备方法，包括：在模具中逐层灌注所述阻尼材料的原料单体或预聚体，每灌注预设高度后，在模具中铺设所述核壳结构吸声材料，然后继续灌入，灌注完成后升温固化，得到核壳结构吸声复合材料。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

20、1、本发明提供的核壳结构吸声材料，基于聚合物压电效应，提出了新的能量转换机制和机械能耗散机制，利用核壳结构的内核与机械波产生共振，敲击外壳产生压电，实现声能到电能的转换，低频声波与核壳共振产生使纵波向横波的转变，同时声波在空腔和夹杂物的附近产生局域共振，吸声材料中产生大的形变量，增强了材料的内摩擦作用和弹性弛豫过程，大幅提高机械波的吸收效率。

21、2、本发明提供的核壳结构吸声材料，具有良好的水下吸声性能，在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及材料参数，结构简单，易于制造。可通过制备不同粒径大小的核壳结构，获得不同频率的吸声效果。

22、3、本发明通过在基体材料内部均匀铺设核壳结构吸声材料，在声波作用下，核壳结构起主导作用而吸收声波，该结构与现有的微粒复合型吸声材料相比，兼具了波形转换吸声原理与微球共振摩擦消耗声波的吸声机理；同时基体材料的分子链之间的摩擦、树脂与填料之间的界面摩擦也有助于声波的吸收，从而大大改善材料的吸声性能。压电陶瓷外壳具有良好的耐压性，构件在水深几百米处工作时不会被破坏，能够解决现有水下吸声材料在深海低频情况下吸声效果有限，且机械强度与吸声效果难以兼具的问题。

23、4、可通过制备不同粒径大小的核壳结构，获得不同频率的吸声效果。最终，将不同粒径大小的核壳材料掺入基体中，来提高宽低频段的吸声性能。因此，本发明具有操作方便和易于工业化生产的特点，制备的具有核壳水下吸声复合材料易于调控，尤其可实现水下低频段声波的有效吸收。

24、5、根据核壳粒径匹配共振声频的规律，通过改变核壳粒径、材料类型、核壳配比等参数，能够实现吸声频段可调，使得吸声频段向低频段方向移动。解决现有水下吸声材料在深海低频情况下吸声效果有限，且机械强度与吸声效果难以兼具的问题。

技术特征：

1.一种核壳结构吸声材料，其特征在于，包括内核和外壳，所述内核的直径为0.1～3mm，外壳的内径为0.2～5mm，且外壳的内径大于内核的直径，所述外壳的材质包括压电材料。

2.根据权利要求1所述的核壳结构吸声材料，其特征在于，所述内核的直径为0.5～1.5mm，外壳的内径为1～3mm，且外壳的内径大于内核的直径，外壳的厚度为0.1～1mm；

3.根据权利要求2所述的核壳结构吸声材料，其特征在于，所述外壳还包括辅助材料，所述辅助材料包括氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛、氧化铁、氧化钙中的一种或多种。

4.一种权利要求1-3任一项所述的核壳结构吸声材料的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的核壳结构吸声材料的制备方法，其特征在于，所述包裹材料为聚乙二醇和/或石蜡，所述外壳浆料包括陶瓷粉体、羧甲基纤维素、分散剂、粘结剂和水；所述陶瓷粉体包括压电陶瓷粉体。

6.根据权利要求4所述的核壳结构吸声材料的制备方法，其特征在于，步骤s3包括：将所述夹层核壳球体以1～3℃/min升温至300～400℃保温1～5小时，然后以1～5℃/min升温至1200～1600℃保温1～5小时，得到所述核壳结构吸声材料。

7.根据权利要求5所述的核壳结构吸声材料的制备方法，其特征在于，所述内核球体为直径为0.8～1.2mm的氧化锆球体，所述第一空心球形模具的内径为1.5～2.5mm，所述第二空心球形模具的内径为2.5～3.5mm；

8.一种核壳结构吸声复合材料，其特征在于，包括阻尼材料和分布于所述阻尼材料内的核壳结构吸声材料，所述核壳结构吸声材料为权利要求1-3任一项所述的核壳结构吸声材料。

9.根据权利要求8所述的核壳结构吸声复合材料，其特征在于，所述阻尼材料为聚氨酯或橡胶。

10.一种权利要求8或9所述的核壳结构吸声复合材料的制备方法，其特征在于，包括：在模具中逐层灌注所述阻尼材料的原料单体或预聚体，每灌注预设高度后，在模具中铺设所述核壳结构吸声材料，然后继续灌入原料单体或预聚体，全部灌注完成后升温固化，得到核壳结构吸声复合材料。

技术总结本发明属于水下吸声材料技术领域，具体为一种核壳结构水下吸声复合材料及其制备方法，通过在阻尼材料中复合核壳结构吸声材料提高其水下吸声性能。核壳结构吸声材料包括内核和外壳，所述内核的直径为0.1～3mm，外壳的内径为0.2～5mm，且外壳的内径大于内核的直径，所述外壳的材质包括压电材料。本发明利用核壳结构吸声材料的核与机械波产生共振，敲击外壳产生压电，将机械能转换成为电能，大幅提高机械波的吸收效率，该尺寸和结构下尤其能提高水下吸声复合材料在低频段的吸声性能。而且，能够同步提高水下吸声复合材料的机械强度，提高构件的抗水压能力。技术研发人员：王云明,周华民,张露,陈坤涵,杜佳伟,成奇宽受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26