多孔陶瓷的定義及種類

只要生活在人類社會(huì)中，就一定飽受過噪音的困擾，單純馬路邊的隆轟轟聲，就足以讓人坐立難安，因此如果要改善生活和工作環(huán)境，必須要控制噪音水平，而最有用的手段之一，就是布置可吸收聲音的物質(zhì)，如最常用的多孔陶瓷材料。
一、多孔陶瓷材料的定義及吸聲原理
多孔陶瓷材料是含有大量孔隙的材料，由連續(xù)的固體相和形成孔隙的流體相所組成。如圖所示，其孔結(jié)構(gòu)可以分為閉孔和開孔結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，閉孔為固體相所包圍，與外面流體介質(zhì)無連通。
閉孔結(jié)構(gòu)主要影響多孔材料的密度、強(qiáng)度和熱導(dǎo)率等宏觀性質(zhì)，但是與外部流體介質(zhì)的交換和吸收特性無關(guān)。開孔結(jié)構(gòu)可以與外部流體介質(zhì)相互連通，包括半開孔和通孔結(jié)構(gòu)。開孔結(jié)構(gòu)可以與外面流體介質(zhì)連通和交換，主要影響過濾、催化和吸聲等宏觀性能。

多孔固體介質(zhì)的孔結(jié)構(gòu)示意圖

按照惠更斯原理，當(dāng)聲音由空氣中傳入多孔材料時(shí)，微孔和間隙中的空氣是聲波傳播的介質(zhì)。當(dāng)聲波垂直入射到多孔材料表面時(shí)，一部分由材料表面反射，另外一部分則通過與外界相通的通孔透射到材料內(nèi)部。進(jìn)入材料內(nèi)聲波的振動(dòng)引起通孔內(nèi)空氣的劇烈運(yùn)動(dòng)，使其與孔壁摩擦。在摩擦和黏滯力作用下，部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，使得反射聲能減弱以達(dá)到吸聲效果。另外，空氣和孔壁與材料之間的熱交換引起熱量損失，也造成聲能衰減。
因此若想得到高效的吸聲效果，多孔吸聲材料必須要具有開孔結(jié)構(gòu)特征，而且孔隙率較大，使得聲波易于進(jìn)入并傳播，通過粘滯效應(yīng)和熱效應(yīng)機(jī)理耗散聲波能量。
二、多孔陶瓷吸聲材料的分類
近幾十年，吸聲材料的研究和應(yīng)用逐漸增加，而且種類得到了很大的增長，下面按微觀形態(tài)進(jìn)行盤點(diǎn)。
從微觀形態(tài)角度，傳統(tǒng)多孔吸聲材料可以劃分為：纖維多孔材料、泡沫多孔材料和顆粒多孔材料。這三種多孔材料都具有相互連通的開孔結(jié)構(gòu)，但是微觀形態(tài)不同，分別為：平行開孔結(jié)構(gòu)、立方體形開孔和顆粒堆積的開孔結(jié)構(gòu)?？仔蚊?、孔結(jié)構(gòu)因子和孔隙率的不同，都會(huì)導(dǎo)致吸聲性能有很大差別。

三種多孔吸聲材料結(jié)構(gòu)示意圖

①纖維多孔吸聲材料
纖維多孔材料是商業(yè)應(yīng)用最廣泛的多孔吸聲材料，由大量連續(xù)的纖維和纖維之間的空隙組成。在建筑等領(lǐng)域，典型的商業(yè)纖維多孔吸聲材料為玻璃棉或巖棉，由于輕質(zhì)、優(yōu)異的吸聲性能和防火特性，得到廣泛的應(yīng)用。但是，玻璃棉或巖棉在運(yùn)輸和使用過程中會(huì)產(chǎn)生飛塵污染，損傷人體健康，發(fā)展替代性的多孔吸聲材料是一個(gè)趨勢。
②泡沫多孔吸聲材料
典型的泡沫多孔吸聲材料包括聚氨酯泡沫、泡沫鋁、多孔陶瓷和氣凝膠，并且只有開孔結(jié)構(gòu)才具有高效的吸聲性能。
目前，聚氨酯泡沫是最常見的泡沫多孔吸聲材料，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車和飛機(jī)艙內(nèi)的被動(dòng)降噪，同時(shí)也有隔熱和防腐用途。依據(jù)軟鏈段和硬鏈段的比例，聚氨酯泡沫分為硬質(zhì)泡沫和軟質(zhì)泡沫。硬質(zhì)泡沫為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，用于航空夾層結(jié)構(gòu)和雷達(dá)結(jié)構(gòu)的核心材料等。軟質(zhì)泡沫的開發(fā)晚于硬質(zhì)泡沫，具有吸聲、高彈性和阻尼等特性。但同時(shí)它也存在耐燃性、耐溫性差的缺陷，以及環(huán)保和力學(xué)性能的問題。
以泡沫鋁為典型代表的泡沫金屬，是相對較新的多孔材料，日本在1986年采用連續(xù)鑄造工藝實(shí)現(xiàn)了泡沫鋁的商業(yè)化生產(chǎn)，命名為“ALPORAS”，可能是目前孔結(jié)構(gòu)均勻性最好的泡沫鋁。泡沫金屬具有輕質(zhì)、高比剛度、高吸能、耐高溫、阻燃和低吸潮特性，但是昂貴的價(jià)格和制備工藝不成熟是限制其發(fā)展的因素。

泡沫鋁形貌

多孔陶瓷是優(yōu)異的耐高溫吸聲材料，可以在1500℃以上長期使用，而且在高聲壓級、高速環(huán)境下性能穩(wěn)定，主要應(yīng)用于航天、火箭噴嘴組件、隔熱層，有潛力成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的聲線。
氣凝膠是一種具有納米級開孔的超輕（約0.003g/cm3）多孔材料，通過超臨界干燥工藝除去凝膠液體形成，為目前最優(yōu)的隔熱材料，其中最典型的氣凝膠為二氧化硅氣凝膠，孔隙率可達(dá)75%以上，熔點(diǎn)可達(dá)1200℃。但是，昂貴的價(jià)格成為限制氣凝膠廣泛應(yīng)用的一個(gè)問題，目前主要在航天等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用。

二氧化硅氣凝膠

③顆粒多孔吸陶瓷聲材料
顆粒多孔材料是由宏觀顆粒堆積或連接形成的聚集體，顆粒之間的空隙可以形成開孔結(jié)構(gòu)。顆粒多孔材料的范圍非常廣泛，可以是自然形成的，如土壤、砂石和積雪等，也可以是人工制備的，如回收的橡膠顆粒、珍珠巖和多孔的瀝青混凝土路面等，它們在戶外環(huán)境降噪中發(fā)揮重要作用。
資料來源：
陶聰空心球多孔材料吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與聲學(xué)機(jī)理研究，李瑞鋒。
分層多孔材料吸聲結(jié)構(gòu)的性能分析，劉新金，劉建立，徐伯俊，高衛(wèi)東。