一种基于蜂窝结构的隔声超材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及隔声材料技术领域，具体涉及一种基于蜂窝结构的隔声超材料及其制备方法。

背景技术

传统的隔声材料在低频段的隔声性能需要遵循质量密度定律，即面密度决定隔声材料的隔声量，增加隔声材料面密度才能提高低频隔声量，由此带来隔声材料重量增加的问题，这也使得传统隔声材料应用受限。

近年来，声学超材料概念的提出为实现轻质条件下的低频隔声提供了新的理论基础和技术途径。声学超材料的概念是类比电磁超材料的概念提出的，是指由特殊设计的人工声学结构单元周期排列在基体材料中构成的新型声学材料或结构，是一种单元尺寸远远小于声波波长的周期型结构，具备自然界材料所不具有的超常物理性质，如负质量密度、负模量以及负折射等等。已有研究表明，一些典型声学超材料(如声学超材料板、声学超材料膜等)中的人工声学结构单元在声波激励下会产生局部单元的低频共振，可以打破质量密度定律限制，在轻质条件下高效隔离低频声波的传播。前研究较多的声学超材料结构，包括三部分：刚性框架、弹性膜以及质量块。制作时以绷紧状态将弹性膜粘接到刚性框架上，然后在弹性膜上再负载一定质量和形状的质量块。

这种局域共振型声学超材料可以在100-1000Hz范围内完全吸收一部分频率范围内的低频声波，展现出非常广阔的应用前景。但存在以下缺点：一是由于刚性材料框架的存在，使得结构整体不够柔性；二是隔声频带较窄；三加工困难，且重量过大，不适合用于航空航天这种对质量要求苛刻的场景。

因此，发明人提供了一种基于蜂窝结构的隔声超材料及其制备方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种基于蜂窝结构的隔声超材料及其制备方法，解决了传统局域共振声学超材料的重量较大、隔声频带较窄的技术问题。

(2)技术方案

本发明提供了一种基于蜂窝结构的隔声超材料，包括蜂窝结构、弹性膜和质量块，至少一层所述弹性膜嵌设于所述蜂窝结构的孔格内，所述质量块设于所述孔格内。

进一步地，所述弹性膜为帽型膜，所述帽型膜的翻边与孔格内壁粘接。

进一步地，所述质量块设于所述弹性膜的上表面。

进一步地，所述蜂窝结构为芳纶纸蜂窝、玻璃布蜂窝、碳纤维蜂窝、铝蜂窝及植物纤维蜂窝中的至少一种。

进一步地，所述蜂窝结构的厚度为100～200mm。

进一步地，所述孔格的壁厚为0.1～1mm。

进一步地，所述孔格的内腔边长为5～10mm。

进一步地，所述弹性膜的厚度为0.01～0.5mm。

进一步地，所述质量块的质量在0.1～1g。

本发明还提供了一种基于蜂窝结构的隔声超材料的制备方法，包括以下步骤：

在蜂窝结构的孔格内壁设定高度处涂覆一层液体胶黏剂，将裁切好的弹性膜植入到所述设定高度处并粘接；

在每个孔格内的弹性膜上粘接质量块。

(3)有益效果

综上，本发明通过改变蜂窝孔格的边长、蜂窝孔格壁的厚度以及弹性膜的厚度、材质、蜂窝厚度等参数灵活调整共振频率，从而在希望的频率范围内获得最佳的隔声效果；又可以通过调整弹性膜在孔格中的位置甚至同个孔格中嵌入多层弹性膜，从而达到宽频隔声的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于蜂窝结构的隔声超材料的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于蜂窝结构的隔声超材料的制备方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种弹性膜的裁片过程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种弹性膜的粘接过程示意图。

图中：

1-蜂窝结构；101-孔格；2-弹性膜；3-质量块；4-胶黏剂；5-植入工装。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1，本发明实施例提供的一种基于蜂窝结构的隔声超材料，其可以包括蜂窝结构1、弹性膜2和质量块3，至少一层弹性膜2嵌设于蜂窝结构1的孔格101内，质量块3设于孔格101内。

在上述实施方式中，蜂窝结构1为芳纶纸蜂窝、玻璃布蜂窝、碳纤维蜂窝、铝蜂窝及植物纤维蜂窝中的至少一种；蜂窝结构1的厚度为100～200mm，孔格101的壁厚为0.1～1mm，孔格101的内腔边长为5～10mm。弹性膜2为帽型膜，帽型膜的翻边与孔格101的内壁粘接。弹性膜2包括热塑性聚氨酯、硅橡胶、丁腈橡胶、聚二甲基硅氧烷等具有一定弹性的薄膜，厚度在0.01mm～0.5mm之间。质量块3设于弹性膜2的上表面，其质量在0.1～1g。

本发明采用蜂窝结构代替金属框架，利用蜂窝天然具有的多腔体代替金属刚性框架，既节省加工成本又减轻了重量，而且容易实现大面积共振隔声材料的制备，且在曲面成型方面具有天然的优势。蜂窝结构是一种在航空航天领域使用广泛的材料，孔格除了传统的六边形还有矩形、心形等形状；孔格大小、孔格壁厚度、高度等均可以灵活调整，这就使得局域共振隔声超材料的设计可以更加灵活。通过改变蜂窝的边长、蜂窝壁的厚度以及薄膜的厚度、材质、植入深度，质量块的形状、大小、质量等参数可以灵活的调整共振频率，从而在希望的频率范围内获得最佳的隔声效果。本发明的最大优点还在于由于采用了内嵌的方式，蜂窝孔格内的弹性膜2的高度可以自由调整，且可以根据需要在同一个孔格101中植入多层弹性膜2。

参见图2，本发明还提供了一种基于蜂窝结构的隔声超材料的制备方法，其可以包括以下步骤：

S100、在蜂窝结构的孔格内壁设定高度处涂覆一层液体胶黏剂，将裁切好的弹性膜植入到设定高度处并粘接。

具体地，如图3所示，将弹性膜2裁切成正六边形或圆形，正六边形的边长或圆形直径L

其中，胶黏剂4包括但不限于环氧、酚醛、聚酰亚胺等热固性胶黏剂；液态胶黏剂溶液的浓度在10～80％之间，胶黏剂溶液的粘度在3000mpa.s以内。胶黏剂的涂敷厚度应控制在0.05～0.15mm，宽度在5～10mm。

其中，植入工装5包括植入头和植入杆两部分，其中植入杆的长度h和弹性膜2在孔格101内的植入深度h一致。

S200、在每个孔格内的弹性膜上粘接质量块。

具体地，在每个孔格101的中心处粘接一定厚度、尺寸及形状的质量块3。

实施例1

(1)选择中航复材生产的牌号为NH-1-5.5-48的芳纶纸蜂窝，加工30mm厚、尺寸规格500mm(长)×500mm(宽)的蜂窝一张，备用。

(2)利用激光裁料机将厚度为0.1mm的TPU弹性薄膜才切成边长为10mm的六边形裁片。

(3)在蜂窝孔格壁距离上表面15mm-22mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂，厚度约0.10mm，注意孔格壁的六个面上均要涂抹。

(4)将裁切好的TPU六边形裁片放置在蜂窝孔格上方，选用植入杆长度为20mm的植入工装将裁片植入到蜂窝孔格20mm深处。

(5)加工直径为4mm、厚度为2mm的铁块若干，备用。

(6)将加工好的圆形铁块底部涂覆一层约0.1mm厚的SY-37胶黏剂，并将其放置在蜂窝孔格中心的薄膜上，每个孔格中心各安放一个小铁片。安放完成后放置到60℃的烘箱内，保温1小时；或者室温放置72小时以上，使SY-37固化，得到基于蜂窝结构的隔声超材料。

实施例2

(1)选择中航复材生产的孔格边长为8mm、孔格壁厚为0.3mm的碳纤维蜂窝，加工40mm厚、尺寸规格500mm(长)×500mm(宽)的蜂窝一张，备用。

(2)利用激光裁料机将厚度为0.1mm的TPU弹性薄膜才切成边长为10mm的六边形裁片。

(3)在蜂窝孔格壁距离上表面15mm-22mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂，厚度约0.10mm，注意孔格壁的六个面上均要涂抹。

(4)将裁切好的TPU六边形裁片放置在蜂窝孔格上方，选用植入杆长度为20mm的植入工装将裁片植入到蜂窝孔格20mm深处。

(5)加工直径为4mm、厚度为2mm的铁块若干，备用。

(6)将加工好的圆形铁块底部涂覆一层约0.1mm厚的SY-37胶黏剂，并将其放置在蜂窝孔格中心的薄膜上，每个孔格中心各安放一个小铁片。

(7)参照步骤3在蜂窝孔格壁距离上表面5mm-12mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂。

(8)参照步骤4将裁切好的TPU六边形裁片放置在蜂窝孔格上方，选用植入杆长度为10mm的植入工装将裁片植入到蜂窝孔格10mm深处。

(9)参照步骤6在每个孔格中心各安放一个小铁片。

(10)安放完成后将蜂窝放置到60℃的烘箱内，保温1小时；或者室温放置72小时以上，使SY-37固化，得到基于蜂窝结构的隔声超材料。

实施例3

(1)选择中航复材研制的NH-1-8-48的玻璃布蜂窝，加工40mm厚、尺寸规格500mm(长)×500mm(宽)的蜂窝一张，备用。

(2)利用激光裁料机将厚度为0.1mm的TPU弹性薄膜才切成边长为10mm的六边形裁片。

(3)在奇数排的蜂窝孔格的内壁距离上表面15mm-22mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂；在偶数排的蜂窝孔格的内壁距离上表面5mm-12mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂，厚度均为0.10mm左右；注意孔格壁的六个面上均要涂抹。

(4)将裁切好的TPU六边形裁片放置在蜂窝孔格上方，分别选用植入杆长度为20mm和10mm的植入工装将裁片植入到蜂窝孔格20mm和10mm深处。

(5)加工直径为4mm、厚度为2mm的铁块若干，备用。

(6)将加工好的圆形铁块底部涂覆一层约0.1mm厚的SY-37胶黏剂，并将其放置在蜂窝孔格中心的薄膜上，每个孔格中心各安放一个小铁片。安放完成后放置到60℃的烘箱内，保温1小时；或者室温放置72小时以上，使SY-37固化，得到基于蜂窝结构的隔声超材料。

实施例4

(1)选择中航复材生产的NH-1-5.5-48的芳纶纸蜂窝，加工50mm厚、尺寸规格500mm(长)×500mm(宽)的蜂窝一张，备用。

(2)利用机械式裁刀将厚度为0.1mm的TPU弹性薄膜才切成边长为10mm的六边形裁片。

(3)在蜂窝孔格壁距离上表面15mm-22mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂，厚度约0.10mm，注意孔格壁的六个面上均要涂抹。

(4)将裁切好的TPU六边形裁片放置在蜂窝孔格上方，选用植入杆长度为20mm的植入工装将裁片植入到蜂窝孔格20mm深处。

(5)加工直径为4mm、厚度为2mm的铁块若干和直径为4mm、厚度为1mm的铁块若干，备用。

(6)将加工好的圆形铁块底部涂覆一层约0.1mm厚的SY-37胶黏剂，并将其放置在蜂窝孔格中心的薄膜上，每个孔格中心各安放一个小铁片。其中奇数排的蜂窝孔格内安装2mm厚的铁块，偶数排的蜂窝孔格内安装1mm厚的铁块。安放完成后放置到60℃的烘箱内，保温1小时；或者室温放置72小时以上，使SY-37固化，得到基于蜂窝结构的隔声超材料。

实施例5

选择中航复材生产的NH-1-5-48的芳纶纸蜂窝，加工50mm厚、尺寸规格500mm(长)×500mm(宽)的蜂窝一张，备用。

(2)利用机械式裁刀将厚度为0.1mm的TPU弹性薄膜才切成边长为10mm的六边形裁片。

(3)在蜂窝孔格壁距离上表面25mm-33mm范围内均匀涂敷一层北京航空材料研究院生产的SY-37胶黏剂，厚度约0.10mm，注意孔格壁的六个面上均要涂抹。

(4)将裁切好的TPU六边形裁片放置在蜂窝孔格上方，选用植入杆长度为30mm的植入工装将裁片植入到蜂窝孔格30mm深处。

(5)加工直径为4mm、厚度为2mm的铁块若干和直径为4mm、厚度为2mm的铝块若干，备用。

(6)将加工好的圆形铁块底部涂覆一层约0.1mm厚的SY-37胶黏剂，并将其放置在蜂窝孔格中心的薄膜上，每个孔格中心各安放一个小铁片。其中奇数排的蜂窝孔格内安装2mm厚的铁块，偶数排的蜂窝孔格内安装2mm厚的铝块。安放完成后放置到60℃的烘箱内，保温1小时；或者室温放置72小时以上，使SY-37固化，得到基于蜂窝结构的隔声超材料。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。