采用天然软木凝聚的环保解方法合成的温顺夹层复合材料

采用天然软木凝聚的环保方法合成的温顺夹层复合材料III材料0902110502090211陈家保Ill采用天然软木凝聚的环保方法合成的温顺夹层复合材料简介Ill碳化纤维泡沫芯夹层复合材料由于其优越的机械性能和较低的重量广泛用于许多结构应用中。不幸的是，这些结构通常具有非常可怜的声学性能，由于越来越多的需求增长，减轻这种噪音问题势在必行。这项研究表明，碳纤维复合材料与天然软木塞在一个夹层结构中提供了一种协同效应从而产生一个无杂音没损失的力学性能的夹层复合材料结构。此外，软木核心夹层复合材料拥有250%的改善阻尼性能，增加耐用性和生命周期操作可行型。此外，正如世界寻求环保材料要求一样，软木塞的收获是一个自然的，可再生过程，能减少以后的碳足迹。这种转型，从合成泡沫芯的天然软木内核可以提供前所未有的声学性能的改善和振动的应用，如在机舱或风力涡轮机叶片。软木是天然产品消除软木塞的树外层树皮获得的。每九到十二年外层树皮补充其软木全部的厚度，软木可作为一个天然的、可再生的资源。研究和报道表明软木具有非凡的机械性能1-8。他们表现出迷人的特性包括非线性弹性，超级压缩性以及没有骨折，不寻常的空间的恢复能力,衍生出杰出的能量吸收性能。除了机械性能，其它有吸引力的特色包括对气体或液体更好的隔热性能。使用软木塞的形式的结块、被称为“软木凝聚”,它已广泛应用于各种环境中，从一个葡萄酒瓶塞到航空结构，其经常暴露在极度恶劣的环境。由于具有较高的刚度和强度重量比率在许多结构应用包括航空、汽车、海洋和可再生风力涡轮叶片等在使用夹层复合材料上有一个日益增长的趋向。一个夹层复合材料通常是在一薄一厚俩夹层间加入复合材料。大多数夹层复合材料的核心材料组成要么聚合物合成泡沫（比如,Rohacell）或蜂窝芯（即Nomex或者凯夫拉尔）。然而，具有讽刺意味的是，一个夹层复合的高特定的刚度和强度性能会产生不良振动声学特性,开始在低频辐射噪声。例如，飞机机舱噪声辐射来自多个方面包括发动机振动与机身的声激励，这可能会导致乘客不适。然而，商用飞机通常使用夹层复合蜂窝芯结构以提高机械性能和轻量级。减少不必要的噪音、额外的吸声材料是必要的,它的厚度必须与噪音波长的10倍。据报道在早些时候研究的特性核心材料包括减少使振动和声学反应这样的夹层复合材料。由于其混合的轻型、低剪切模量，优越的能量吸收特性，隔热性能软木凝聚似乎是一个理想的核心夹层复合材料。导热系数值,热力膨胀，和比热值（Cp）也有类似的夹层复合材料。研究也表明，软木结块可以承受较高温度，质量损失最小（达6%）。除了这些优良的机械性能和热稳定性，软木是一种生物可降解材料而泡沫和蜂窝芯材料是无法再循环和分解的。令人惊讶的即使有这些有利的属性，软木结块价格显著的低于合成泡沫;软木大约只有10%的Rohacell泡沫的价格。使用天然的软木结块作为核心材料具有高的吸收能量和阻尼性能1-6。然而,值得注意的是，虽然应用中需求它，公布的自然界的软木凝聚核心夹层复合材料，几乎没有任何数据存在于文献中。在本篇论文中，我们研究了声音和振动响应对夹层复合材料与碳纤维的影响，首次报告这种夹层复合材料表现出几乎无杂音属性并仍然保持其机械性能。结果形态学特征。比较之前和之后的压缩试验，我们首先考察了Rohacell泡沫和软木结块的形态和结构。图1(a)显示压缩试验的结果,而随后的数据SEM照片显示了在特定的抗压菌株下材料的特点。图1(b),(c)和(d)分别显示软木塞结块压缩前90%的压力的SEM图像，在测试之后放松。类似的图1(e),(f)和(以显示110年RohacellWF在同一环境下的结果。作为Rohacell110年和110年也有类似的WFIG压响应中，只有110WF是显示为一个代表性样本。在微观上分析软木和Rohacell来看，是类似的材料组织，然而尽管Rohacell泡沫细胞尺寸范围为309-824毫米，软木有一个更小的单元尺寸约41毫米;软木也拥有一个较小的细胞壁厚度为1.04毫米相比18.8毫米和26.3毫米110WF和110。为了测试他们的能源吸收和恢复能力,无论是软木和Rohacell泡沫受到压缩试验(图1(a))。类似于早些时候介绍,7,19日至20日，Rohacell泡沫和软木塞凝聚的非线性弹性行为表现出弹性模量ofdistinct组成的地区(低模量,即初始高原,和高模量区)。在最初的高原地区，那里的细胞屈曲发生时,两个材料抵抗抗压负载增加。虽然Rohacell泡沫显示抗压模量的39MPa、但是软木的模量只有2.8帕的低模量。然而压力增加,进入最大模量地区的响应，将显示一个突兀的压力增加。图1(c)和扫描电镜(f)显示的图像样品应变压缩到90%。只是软木显示出的而110年和110年RohacellWFIG分别为310MPa常数和246帕。这表明在较高的菌株软木具有更好的能量吸收,由于解离

的软木细胞和致密化软木塞的结块结构。图1(d)和(g)显示SEM图像之后标本被压缩到90%后释放;相比之下这些数字,软木被认为有更高的可恢复性，软木塞结块菌株，几乎回到了原来的厚度，而Rohacell样品保持压缩与永久的解离(图1(g))。CompressiveStrain(wdlAJ)35/4CompressiveStrain(wdlAJ)35/4切也>'55«如」9图1(a)压应力-应变结果对软木塞结块、Rohacell110和RohacellWF110。注意两个110和110WF有类似的反应。然而在压力大于0.7以及更高的压缩模量软木显示大幅提高能量吸收能力。(b)(c)(d)SEM图像压缩的软木凝聚的前90%的压力，在测试期间的放松时间。注意软木凝聚核心恢复到和原来的形状和大小差不多。所有图片和插图有相同的规模。(e)(f)(g)SEM图像Rohacell的110年前的WF压缩，在90%的压力，在测试期间的放松时间。相比软木结块、110年的RohacellWF图1(a)压应力-应变结果对软木塞结块、Rohacell110和Rohacell基于以上的观察，相较于高性能合成泡沫软木结块展现出包括非线性弹性、大变形后非凡的复苏能力的特点。这表明,我们在夹层复合材料中使用软木凝聚的核心材料克服了其声波属性以其固有特性。在这里，通过研究声音和振动属性，天然软木凝聚核心夹层复合材料同时具有天然软木结块和碳纤维复合材料的优点，是人类最强大的结构材料。声学性能表征。为了测试夹层复合材料的声学性能，软木凝聚的碳环氧树脂纤维面临表;参见图2(一个)的示意图。110年和110年两RohacellWFIG泡沫被也用作核心材料与碳自然纤维软木凝聚的核心夹层复合材料比较声学性能。图2(b)(c)分别显示碳纤维的脸床单粘着软木凝聚的核心和110年RohacellWF核心的图像。通过使用特征波数分析声学性能通常用于现场的声音和结构性振动11,13至16。详细资料的分析在波束实验部分中提供了方法。波数字方法提供了有用的解释，结构在机械和声学振动环境下辐射噪声，因此有两个关键因素；巧合的频率和振幅波数。这个巧合频率是在一定的振动频率时结构将开始辐射噪声。因此一个更大的巧合频率可以减少结构辐射噪声的频率范围，从而改善声学性能。此信息可以在色散曲线上发现(图3(a))。历史巧合频率相同的频率波数的数据点相交处声音的速度(虚线)；所示图3(一个)。因此,任何在灰色区域的数据点是表示在其频率结构将辐射噪声。据观察，碳纤维梁110和110年RohacellIGWF核心巧合的频率范围在2.2--2.5kHz,这比铝制beam11,14一半的巧合频率更少。合成核心夹层复合材料与其反差很大，目前最常使用的材料在航空航天和汽车结构中，巧合的碳自然纤维频率软木凝聚核心夹层复合材料在10千赫范围以上。事实上，其振幅低于5kHz以上频率波数的山峰，不可能看到(图3(b)和(d)振幅波数。这可能意味着即使确定声音频率从20赫兹到20kHz21巧合频率可能不是。正如前面提到的，巧合频率对波数振幅很重要，关联到噪音辐射的结构;因此低振幅导致低噪音。它很容易看到图3(b)通过3(e)，碳自然纤维软木凝聚核心夹层的振幅明显低于一个用于碳纤维-Rohacell110的夹层复合。在1000赫兹的频率线上，天然软木塞凝聚核心具有的振幅只占110年的Rohacell^核心束的25%;频率为1000赫兹以上，这比例进一步下降到14%。因此，天然软木塞凝聚核心夹层复合材料将没有噪音辐射频率范围至少10千赫。碳自然纤维软木凝聚核心夹层复合材料将辐射噪音最小，这是一个强劲的天然材料制成的人造纤维复合材料。

图2|（a）夹层梁示意图。注意，在核心材料厚这两者之间，瘦脸表。（b）的照片环氧树脂纤维碳用天然软木凝聚核心夹层复合梁。（c）碳环氧树脂纤维的照片与110年RohacellWF核心三明治复合梁。这样一个方案来解决这一问题，声学夹层复合材料被利用在许多方面;一个最近从风力涡轮叶片噪声辐射特别有趣的实验，在操作期间,风力涡轮叶片发出声音水平的大约100分贝,3600赫兹，相当于听一场气动锤或非常吵闹的音乐，结果，那些许多生活在风力发电场附近的人有不适感。因此，据当地和联邦法律对噪音辐射范围的规定大型涡轮机必须保持远离城市和居民区。就我们的研究显示，天然软木塞结块夹层复合材料结构可以无噪音，将他们利用在风力涡轮叶片上能大大地改善叶片的声学性能,这将提高能源效率。

CarbonFiberwithCorkAggiemerateGoreCarbonFiberwithRohaceI110IGCoreCartoonFiber加thRohsceit110WFCore——SoundWaveinAir图3|(a)色散块碳纤维梁在软木凝聚的核心,Rohacell110的核心和Rohacell110WF核心。灰色区域虚线代表超音速声音振动波辐射数据点。注意如何在110年和110年RohacellIGWF梁过渡到这一区域大约在2.5kHz,而天然软木凝聚核心光束不会进入这一地区在这10千赫范围，因此是“无杂音”。(b)波数的等高线的碳纤维对天然软木凝聚的光束。注意之间的相关性的山峰轮廓和数据点在图3。由于没有峰值高于5.0kHz，据说这种光束“噪音自由”。(c)波数等高线的碳纤维梁的Rohacell110的核心。由于两Rohacell110和110波数WF有类似反应,Rohacell110作为代表性的两Rohacell核心。注意尺度不同，图3b和3c,来显示最清晰的图像可能的。(d)波数频投影碳纤维与天然软木凝聚的核心。这是另一个视图的图3b;注意该地块的峰值匹配峰值在图3b。(e)波数频预测为碳纤维对Rohacell110搞笑的核心。这里的振幅明显高于软木凝聚核心梁在图3(b)和3(d),从而导致Rohacell110和110年WF光束在整个10赫兹频率范围放射出更大噪声。虽然波数是一种基于振动声学性能描述的方法，存在其他方法来衡量声学特性。可以采用的方法之一是声音衰减指数法，这就是通常所说的按照国际标准ISO140。这样的一个方法是用来在类似的频率范围研究中使用的波数测量隔音。只有少数研究报道了夹层复合材料测量中的声音衰减指数,主要是因为所需的大小标本不一。这些尺寸范围相当于大型电池板分割墙,与所需的设备，保持的范围相关。然而,这种方法只有在未来可行。从波数的结果分析，它是假设通过衰减指数方法软木核心夹层复合材料将显示优良的隔音功能。阻尼特性。它还预计，碳自然纤维软木结块夹层复合材料可以有高得多的阻尼性能，因为其显著较低的振幅对于碳纤维Rohacell核心夹层复合材料(图3(d)和3(e))。改进的阻尼结构相当重要，因为能改善疲劳性能和耐久性，允许结构在更严重的负载下生存更长的服务时间直到失败。这显然是正确的，在风力涡轮叶片上叶片的跨度变得更强对风能发电更有效率。这样，内在的阻尼功能将不仅改善疲劳寿命,也带来了更多的发电。同样的夹层梁描述声学性能被利用来测量阻尼属性。据观察，软木塞凝聚核心光束显示相对于Rohacell110和110WF核心梁（图4）其显著降低振幅的频率响应函数,这意味着软木核心梁具有更大的阻尼功能。每个夹层梁的阻尼功能是根据ASTME756-05损失的因素。与软木凝聚核心光束有损耗因子值的从0.095到0.12的范围频率高达3.2kHz,它们都近似高于250%或110或110WF1（核心夹层组合梁从0.03到0.07损失的因素。这显示，这些工程的天然软木瓶塞凝聚的核心夹层复合材料能提供不必要的压制振动。因此，这将大大增加使用寿命,如风力涡轮叶片或飞机机翼并改善他们的能源效率。(KITr>o)^su©Qfc』T?QdsUQ一w」aoflj3av图4频率响应函数为所有三个横梁。注意振幅频率响应函数的软木塞的结块核心光束显著降低了5kHz的频率范围，提供更好的阻尼功能。还请注意,阻尼性质以损失因素（没有看到在这个图）。据观察，软木凝聚核心梁展品大约250%更大的损失因素从0.095到0.12到3.2(KITr>o)^su©Qfc』T?QdsUQ一w」aoflj3av抗弯刚度测量。为了成为一个可行的替代合成核心的夹层复合材料，天然软木塞结块核心夹层复合材料必须显示毋庸置疑的机械属性。一个主要的设计标准是结构抗弯刚度，因此根据ASTMD7250配置进行了4分制弯曲对每个梁的抗弯刚度测量和比较。刚度测试的结果表明,所有梁的刚度有类似;碳自然纤维软木凝聚核心梁刚度的平均N-mm224.6,与碳纤维梁在110年RohacellWF和110核平均刚度值27.9N-mm2和N-mm224.9。因此，从抗弯刚度上几乎没有比软木基础的夹层复合材料更高的，从而提高了声音和振动性能。这个之所以有这样一个类似的结果是因为，对于夹层复合材料受到弯曲载荷，大多数（至少95%26）压力是由正面来的。因此夹层复合材料对于平面弯曲和负载具有相同的抗弯刚度，以及机械强度，。讨论这项研究表明，解决夹层辐射建筑噪音问题可以通过耦合碳纤维的方法，与天然软木塞作为一个核心材料烧结。使用软木凝聚的核心材料还提供了一个天然的、可再生替代传统合成材料，在他们制造过程中会释放无害的二氧化碳气体。如果优化设计，这种组合的碳纤维复合材料和天然软木塞结块，在两个音响和振动方面提供了无与伦比的性能，不需要额外的材料或一个妥协的机械性能或体重。此外，软木结块类似于合成的泡沫显示可取的热性质，在航空和航天工业的某些应用上这是非常重要的。在各种工程领域有强大和广泛的影响,作为风力发电、航空或汽车，所有的这些都可以显著受益于这样一个解决方案。研究方法单