轻质夹层复合吸声结构的水声性能实验研究

　　复合材料与传统船体钢相比，有比强度和比模量高、阻尼特性好、耐腐蚀和抗海洋生物侵蚀强等优良性能，目前已逐渐成为提高潜艇综合性能的重要技术途径之一[1]。用透声性能好的高强度纤维增强复合材料作面层，用高分子吸声材料作为芯材，可以制得三明治夹层复合吸声结构，这种复合结构集承载与吸声功能于一体，具有振动阻尼性能好、降低磁信号、容易成型等优点，将成为未来水下目标声隐身研究的重要方向[2 -5]。Folds[6]对此类结构进行了介绍，指出通过吸声芯料的选择和各层结构的设计，可以得到综合性能优良的夹层结构吸声材料，这种夹层吸声材料可部分替代钢结构而降低艇体的噪音水平，不同于在钢结构上覆盖吸声层的传统方式。海军工程大学[4，7-8]采用夹层复合材料结构代替钢质舵壳板，研究了一种夹层复合材料空心舵结构，取得了较好的声隐身效果。美国海军使用的玻璃纤维增强复合材料夹层薄板结构被认为是未来发展的一种趋势[9]。但以上研究的芯材相对密度都在1以上，增加了夹层结构复合材料的重量，使用性受限。为解决芯材密度较大的问题，本文采用高强耐压材料作为表层、多种空心玻璃微珠混合填充环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂合成的高分子吸声材料作为芯材，降低了芯材的相对密度，以期获得降低复合材料重量的同时，还能提供较好声隐身功能的结构型复合材料，扩大该结构的使用范围。

　　1 典型的夹层复合吸声结构模型

　　设计玻璃钢作为夹层结构复合材料的表层材料，这是因为平面声波在分界面上的反射和透射的大小仅决定于媒质的特性阻抗，而透声玻璃钢表层的特性阻抗与水介质接近，能够使声波全部入射进入吸声结构[4]; 吸声芯层是夹层复合材料结构的主要吸声部分，要求具有较好的阻尼吸声性能，所以，设计高损耗因子的高分子材料作为夹层结构复合材料的吸声芯材，可以通过调整材料配方和添加填料等方法改善其力学性能并在较宽频段内获得较好的吸声效果。建立垂直入射下夹层复合材料声学模型如图 1 所示，图中上下表层材料采用透声玻璃钢材料，起支撑作用，主要承受弯曲时的拉压载荷作用，提供结构足够的强度、刚度和耐环境特性，满足承载和水动力学性能，并且玻璃钢透声性能较好，能使入射声波尽可能的进入吸声芯层而被吸收; 夹芯层采用高分子吸声材料，它依靠高分子的链段运动将声能转变为热能而吸收。

　　2 实验部分

　　2.1 主要原料和试剂

　　乙烯基酯树脂(3201): 上海光华树脂厂; 环氧树脂6350(EP): 上海争锐化工有限公司; 聚氨酯改性环氧树脂(PUEP): 湖北京山北化复合材料厂; 高强玻璃纤维，南京玻璃纤维研究设计院; 空心玻璃微珠:10μm～600μm，秦皇岛秦皇玻璃微珠有限公司; 过氧化甲乙酮、环烷酸钴:A.R.试剂; 上海光华化学试剂厂; 硅烷偶联剂:KH550，南京曙光化工厂; 环氧固化剂593:武汉市江北化学试剂厂。在使用前，乙烯基酯树脂、环氧树脂6350、聚氨酯改性环氧树脂等进行真空除水处理备用; 空心玻璃微珠用偶联剂 KH-550进行表面处理后在真空烘箱中进行干燥除水。