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比翱工程实验室丨聚合物基复合材料的阻尼与吸声性能：综述
本篇综述文章全面概述了纤维和纳米粒子增强聚合物基复合材料（PMC）的阻尼和吸声性能。首先它解释了材料的阻尼和吸声特性的机制。随后讨论了导致材料阻尼和吸声性能变化的材料控制参数。文章综述了不同纤维材料，包括天然纤维、合成纤维和不同纳米颗粒，包括碳纳米管、石墨烯纳米管基PMC的阻尼和吸声性能。文章讨论了界面区域、密度、纤维厚度、孔隙率、粘弹性和摩擦对阻尼和吸声性能的作用。密度大得多、厚得多和多孔性多的材料的吸声性能比密度低、薄得多和孔少得多的材料高，因为它们具有更高的聚合度。观察到PMC的阻尼性能随着纤维和基体之间界面区域结合的减少而增加。本综述的结论为进一步开发具有所需阻尼和吸声性能的PMC提供了一些有用的建议。 在过去的几十年中，复合材料在不同高级应用中的使用显著增加[1,2]。航空航天和国防工业一开始就发现了复合材料结构的优势。具有理想特性的复合材料的性能提升，很快激活了复合材料在运动器材、压力容器、汽车、船舶和海洋工业以及不同能源应用的制造中的使用[3-6]。复合材料的混合设计在强度、刚度和延展性方面提供比单纤维增强复合材料更好的性能[7-10]。混合的想法允许设计工程师定制材料特性以满足某些特定需求[10-13]。如今，由于使用了复合材料，最近的飞机重量减少了60%[14]。多年来，汽车行业也将复合材料用于豪华和有竞争力的车型。
天然植物纤维最近作为复合材料中的增强材料得到了迅速的认可[15-18]。由于其替代玻璃纤维和碳纤维增强复合材料等合成材料的潜力，天然纤维增强复合材料（NFRC）已成为重要的材料。到2021年，预计从生物来源获得的纤维可以达到增强材料总市场的28%[19]。这些属性包括但不限于高比性能、低成本、低密度和良好的生物降解性。这些材料具有在许多工程应用中使用的固有潜力[20]。因此，对于许多工程应用而言，NFRC是有前途的可持续绿色材料。然而，天然纤维的主要问题是，由于其亲水性，其性能的变化及其对吸湿的敏感性。这会降低纤维与基体之间的界面粘附力，从而影响机械性能[21]。
复合材料的最新发展依赖于向聚合物基体中添加微米和纳米颗粒。因此，研究界对发现聚合物基纳米复合材料的不同潜在应用越来越感兴趣[22–26]。纳米颗粒的发明为材料科学开辟了一个新的领域。纳米颗粒在PMC材料中的集成导致了机械性能[27-30]、热性能[31]、吸声性能[32]、阻尼性能[33]和阻燃性能[34]的各种增强。
许多研究人员进行了大量实验，以评估PMC的不同机械性能，如拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、刚度和导热系数[35–40]。然而，大多数时候，研究人员忽略了阻尼和吸声特性[41–43]。制造一种同时具有高阻尼和高刚度的复合材料是一个难题，因为它们存在着相互矛盾的要求。其中一个属性需要权衡以改善另一个属性，以最大化两者的价值。系统中不必要的振动会在结构中产生残余应力，从而缩短结构的寿命[44]。由于车辆、飞机、洗衣机、干衣机、不同的工业机器等现代机械的存在，环境中的声音污染不断增加。与刚度、冲击、热和其他机械性能相比，研究人员并没有付出同等的努力来改善材料的阻尼和吸声性能。本综述文件的主要目的是提供有关控制PMC阻尼和吸声性能的机制和参数的广泛见解。
研究界对研究吸声和阻尼现象越来越感兴趣，特别是在复合结构中[45-48]。降噪和减振的方法有多种，原则上可分为以下几类：被动介质和主动介质。主动介质不同于被动介质，因为在降噪过程中需要外部能量以及不同类型的传感器和执行器[49]。在被动介质中，通过传播能量并将其转化为能量来减少声音和振动的强度。吸收材料的内部结构产生热量[49-51]。声吸收的强度取决于声波的频率。由于吸音材料的内部摩擦，绝热机制会导致热量损失。还有一些被动的吸声介质，如谐振器，它通过将噪声转化为谐振器的振动来最大限度地减少噪音。谐振器是一种简单的设备，它会因声压的变化而振动，并会因热量损失而开始振动。最近，可以使用不同形式的有源谐振器，它们可以响应外部噪声振动而改变其几何形状。在主动噪声控制中，必须使用单独的传感器来测量设备上的噪声或振动以消除振动。从文献中可以看出，被动介质在高频下表现出良好的性能，而主动噪声消除则是在较低频率区域更有效 [52,53]。动态载荷效应在许多工程应用中使用的许多复合材料中很常见。系统中的振动会产生不需要的噪音，因此会缩短系统的使用寿命。因此，构建具有高阻尼、振动和吸声性能的材料是一项激动人心的挑战。这些属性越来越引起研究群体的兴趣。因此，在这篇综述论文中，基于聚合物基复合材料(PMC)的被动介质的吸声和阻尼性能是首要关注的问题。
这篇综述文章全面了解了过去几年在该领域取得的成果，包括理论公式和已开发的实验程序；文中解释了聚合物基复合材料中吸声和阻尼现象的机理和分析表达式，以及可用的不同测试标准；提供了有关不同基体材料及其特性和应用的信息，然后是增强纤维和纳米颗粒的详细分类；关于负责控制PMC阻尼和吸声性能的机制、不同方法和参数的详细描述也在文中进行了深入讨论。最后提供了一个未来的方向，可以为PMC的未来发展提供有用的指导，并提高阻尼和吸音性能。
图文快览
图1：（a）材料[54]的吸声机制和（b）根据参考文献改编的吸声系数的实验装置。 [45]。
总结在这篇综述中，回顾了有关研究的各项进展与成果，特别是关于纤维和纳米粒子增强聚合物基复合材料的吸声和阻尼性能。讨论了重要参数对PMC声学性能（吸声和阻尼特性）的影响。综述了各种纤维和纳米颗粒基PMC在吸声和阻尼性能方面的应用。从评论文章中得出以下结论：
吸音板的厚度非常重要，因为增加厚度会导致入射声波进一步损失能量。如果样品厚度减小，声波的高粘度和热导率会升高。大量学术论文报告称，与较薄的吸音板材料相比，较厚的吸音板对声波的影响更大。
多孔材料的孔隙率和密度会直接影响声输出。许多研究已经证实，密度大、多孔的材料比密度小、孔少的吸声材料具有较强的吸声特性。
材料的粘弹性在抑制声音，特别是材料振动阻尼方面起着重要作用。粘弹性阻尼是由大分子链网络的变形、松弛和恢复引起的。
复合材料的界面区域在控制PCM的阻尼性能方面起着重要作用。通过在界面区域添加高阻尼材料，可以增加PMC的阻尼。
由于摩擦粘滑，在聚合物基体中包含纳米颗粒对于增强阻尼作用和吸声性能是有用的。
具有高杨氏模量的材料通常提供低阻尼，并且材料的这两种特性彼此成反比。性能的优化可以使制造同时具有高刚度和阻尼的复合材料成为可能。
天然纤维和纳米粒子在有效控制PMC的阻尼和吸音方面具有巨大的潜力。然而，需要解决天然纤维的高可燃性、吸湿性、低可加工性以及对纳米颗粒生产的环境影响等问题。
未来研究方向使用基于天然纤维的材料作为消音和阻尼材料的主要挑战是克服高可燃性和吸湿性等特性。未来的研究可以克服这些障碍以实现实际应用。基于纳米粒子的PMC是最近的趋势，其增强声学特性的能力是巨大的。对于PMC的高级阻尼和吸音结果，也可以重点关注该领域。以最小的厚度制造在宽频率范围内具有良好吸声系数的PMC是一个巨大的挑战。大多数阻尼特性是在室温下测量的。然而，可以进行研究以评估在高温下阻尼特性的可行性。根据文献中的实验证据，已经观察到在提高阻尼系数的同时，必须权衡材料的刚度。因此，未来可以进行高级研究，以在不影响PMC刚度特性的情况下精确地提高阻尼。纳米粒子增强PMC在未来具有广泛的应用可能性。然而，必须减少对纳米粒子生产的环境担忧，未来应该找到新的可持续替代品。
参考文献
原文来源：Polymer Testing 104 (2021) 107388，Damping and sound absorption properties of polymer matrix composites : A review，Md Abu Shaid Sujon、Aminul Islam、Venkata Karthik Nadimpalli，Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, DK-2800, Kongens Lyngby, Denmark
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