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兼备隔声功能的多孔吸声材料的研究是对传统声学材料的挑战,是新型降噪材料的研究热点和新思路,且吸声与隔声性能兼备的轻薄新型降噪材料将对减少建筑的承重,提高建筑的容积率具有很重要的工程应用价值;而巨量废弃的铁尾矿砂造成土地占用和生态破坏严重等环境问题,迫切需要找到再资源化利用的新途径;本文创造性提出将铁尾矿砂的再资源化利用与微纳级多孔吸隔声材料研发相结合的构想,基于废弃铁尾矿砂微纳米化后再资源化和声学材料的吸声与隔声机理,首先通过实验反复探索,获得并掌握了将铁尾矿砂颗粒微纳化的有效方法和不同中位粒径的碾磨控制参数,制备出不同中位粒径的微纳铁尾矿砂。然后以微纳铁尾矿砂为基体原材料,以羧甲基纤维素(CMC)作为粘结剂,通过加入改性后的SiO2气凝胶以优化材料的孔隙率,并加入改性玻璃纤维(GF)以增强基体的强度,借助自行设计制备的三套手工压制模具,成功研究制备出一种吸声与隔声性能兼备的铁尾矿砂微纳级多孔吸隔声材料。采用五因素四水平正交实验法,借助阻抗管法吸隔声测试仪,探讨了铁尾矿砂粒径、试样厚度、SiO2气凝胶添加比例、CMC添加比例和GF添加比例等五因素分别对铁尾矿砂微纳级多孔吸隔声薄板的吸声系数和隔声量的影响主次,探明了影响其吸声系数和隔声量的参数调制机理;通过极差与方差分析得到了优化配方并再次获得了其实验验证,根据最优配方对主要因素做了其变化影响分析;并在此基础上,提出了兼备吸声与隔声的主控调节优化设计方法。最后借助现代显微技术和孔隙率测试技术,分析了铁尾矿砂微纳级多孔吸隔声薄板的显微结构与吸隔声效果的关系。得到的主要研究结论如下:
(1)借助纳米碾磨高新技术设备,可成功通过简易物理碾磨方法将铁尾矿砂微纳米化,并获得不同中位粒径的微纳铁尾矿砂试样原料,从而可实现所制备多孔材料的孔隙微纳化。碾磨铁尾矿砂时,合理的工艺参数选择为:浆料固含量40%,研磨至200nm中位粒径所需时间为6~7h,合适的分散剂为F617,筛网规格为0.3mm,锆珠直径选用0.4mm。
(2)微纳铁尾矿砂吸隔声板试样的最可几孔径大小与该试样的铁尾矿砂颗粒的中位粒径基本保持相近,与预期的孔径大小相符合,说明铁尾矿砂微纳化后制备的多孔材料的孔隙也可随之微纳化;且体积密度均大于1g/cm3,说明致密性较好,故可有效保障其隔声量。
(3)各因素对微纳铁尾矿砂吸隔声板试样平均吸声系数的影响主次为:铁尾矿砂粒径>试样厚度>SiO2气凝胶添加比例>CMC添加比例>GF添加比例;该吸隔声板最佳吸声性能的制备条件为:铁尾矿砂粒径为200nm,SiO2气凝胶添加比例为12.5%,CMC添加比例为2.5%,试样厚度为20mm,GF添加比例为2%,在整段频率的平均吸声系数为0.31,最高吸声系数为0.44,平均隔声量为34.1dB(A)。
(4)各因素对微纳铁尾矿砂吸隔声板试样平均隔声量的影响主次为:铁尾矿砂粒径>试样厚度>CMC添加比例>SiO2气凝胶添加比例>GF添加比例;该吸隔声板最佳隔声性能的制备条件为:铁尾矿砂粒径为1000nm,SiO2气凝胶添加比例为12.5%,CMC添加比例为2.5%,试样厚度为20mm,GF添加比例为2%,该吸隔声板的平均隔声量为38.8dB(A),但平均吸声系数仅为0.14。
(5)通过综合分析各试样平均吸声系数与平均隔声量,得出吸声与隔声兼顾的最佳试样的制备条件为:铁尾矿砂粒径为200nm,试样厚度为20mm,气凝胶添加比例为12.5%,CMC比例为2.5%,GF比例为2%,此时试样孔隙率和体积密度分别为34.5%、1.02g/cm3,抗压强度为11.2M?pa,最大吸声系数可达到0.44,平均吸声系数0.31,平均传声损失可达到34.1dB(A)。
(6)通过对吸声与隔声性能最佳的试样的FESEM观测可以看到试样颗粒之间较为致密,孔隙状况良好且分布均匀,对提升试样的声学性能有很大帮助。
(7)本文实验已证实微纳铁尾矿砂粒径越小,所制备多孔材料的孔隙随之越小,吸声性能越好。粒径越大,试样的隔声量越大,但变化幅度较小(最大约12%)且平均隔声量均高于34dB(A),故可牺牲少量隔声量而大幅提高吸声系数,即选用更小粒径。
(8)SiO2气凝胶的添加有效提高了微纳铁尾矿砂多孔材料的吸声性能。少量SiO2气凝胶的添加对材料的隔声性能影响相对较小。少量GF的加入对各试样的平均吸声系数和平均隔声量均影响很小。
(1)借助纳米碾磨高新技术设备,可成功通过简易物理碾磨方法将铁尾矿砂微纳米化,并获得不同中位粒径的微纳铁尾矿砂试样原料,从而可实现所制备多孔材料的孔隙微纳化。碾磨铁尾矿砂时,合理的工艺参数选择为:浆料固含量40%,研磨至200nm中位粒径所需时间为6~7h,合适的分散剂为F617,筛网规格为0.3mm,锆珠直径选用0.4mm。
(2)微纳铁尾矿砂吸隔声板试样的最可几孔径大小与该试样的铁尾矿砂颗粒的中位粒径基本保持相近,与预期的孔径大小相符合,说明铁尾矿砂微纳化后制备的多孔材料的孔隙也可随之微纳化;且体积密度均大于1g/cm3,说明致密性较好,故可有效保障其隔声量。
(3)各因素对微纳铁尾矿砂吸隔声板试样平均吸声系数的影响主次为:铁尾矿砂粒径>试样厚度>SiO2气凝胶添加比例>CMC添加比例>GF添加比例;该吸隔声板最佳吸声性能的制备条件为:铁尾矿砂粒径为200nm,SiO2气凝胶添加比例为12.5%,CMC添加比例为2.5%,试样厚度为20mm,GF添加比例为2%,在整段频率的平均吸声系数为0.31,最高吸声系数为0.44,平均隔声量为34.1dB(A)。
(4)各因素对微纳铁尾矿砂吸隔声板试样平均隔声量的影响主次为:铁尾矿砂粒径>试样厚度>CMC添加比例>SiO2气凝胶添加比例>GF添加比例;该吸隔声板最佳隔声性能的制备条件为:铁尾矿砂粒径为1000nm,SiO2气凝胶添加比例为12.5%,CMC添加比例为2.5%,试样厚度为20mm,GF添加比例为2%,该吸隔声板的平均隔声量为38.8dB(A),但平均吸声系数仅为0.14。
(5)通过综合分析各试样平均吸声系数与平均隔声量,得出吸声与隔声兼顾的最佳试样的制备条件为:铁尾矿砂粒径为200nm,试样厚度为20mm,气凝胶添加比例为12.5%,CMC比例为2.5%,GF比例为2%,此时试样孔隙率和体积密度分别为34.5%、1.02g/cm3,抗压强度为11.2M?pa,最大吸声系数可达到0.44,平均吸声系数0.31,平均传声损失可达到34.1dB(A)。
(6)通过对吸声与隔声性能最佳的试样的FESEM观测可以看到试样颗粒之间较为致密,孔隙状况良好且分布均匀,对提升试样的声学性能有很大帮助。
(7)本文实验已证实微纳铁尾矿砂粒径越小,所制备多孔材料的孔隙随之越小,吸声性能越好。粒径越大,试样的隔声量越大,但变化幅度较小(最大约12%)且平均隔声量均高于34dB(A),故可牺牲少量隔声量而大幅提高吸声系数,即选用更小粒径。
(8)SiO2气凝胶的添加有效提高了微纳铁尾矿砂多孔材料的吸声性能。少量SiO2气凝胶的添加对材料的隔声性能影响相对较小。少量GF的加入对各试样的平均吸声系数和平均隔声量均影响很小。