磁场作用下磁性聚氨酯泡沫的力学和吸声性能分析

摘 要：使用实验室自主研制的磁场设备，以添加了羰基铁粉的磁性聚氨酯泡沫为对象，研究磁场对磁性泡沫 力学性能和低频吸声性能的影响，探寻智能磁性泡沫聚合物吸声性能和力学性能的可调性。首先采用一步全水 发泡法，制备了质量分数为８０％（质量分数）的各项异性与各向同性的磁性聚氨酯泡沫。接着基于美国 ＴＡ 流变 仪，在交变的磁场作用下，测量这两种泡沫储能模量的变化。基于传递函数法，利用双通道阻抗管，测量在不同强 度磁场下两种泡沫的吸声性能。实验结果发现，磁场的施加对各向异性与各向同性磁性聚氨酯泡沫的吸声性能 影响有限，但其储能模量会随着磁场大小的绝对值增加而逐渐增加，经过时长为５００ｓ，最大周期为０．５Ｔ 的交变 磁场作用，各向同性聚氨酯泡沫的储能模量上升了１４．６％，各项异性的上升了１５．８％，这意味着磁场会增加磁性 粒子短链之间的应力传递。

传统 的 聚 合 物 泡 沫 （ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍ，简 称 ＰＵＦ）诸如聚氨酯、聚氯乙烯和橡胶等以其良好的吸声 减振效果，已广泛地应用于航空航天、国 防 军 事、建 筑 等各个领域，但其功能却远不能满足多种应用场合的 需要［１－２］。例如这些吸声材料只对中、高频范围内的声 波有效，对于小于５００ Ｈｚ的低频声波，其吸声性能很 差。改善低频吸声性能则需增加材料厚度和空间结 构，因而限制其应用范围。另 外，传 统 的 聚 合 物 材 料， 例如用于潜艇消声瓦设计的橡胶类材料其声学及力学 性能在设计完成后就固定下来，不能随工作环 境 和 外 部激励的变化调整参数获得有效的吸声效果。因 此， 克服这些常规材料和传统技术不能解决的减振降噪问 题，需要研究和开发新型多功能声学材料。

近年来，添加了磁性颗粒的 新 型 聚 氨 酯 泡 沫 成 为 研究的热点。在声波作用下，磁 性 颗 粒，如 铁 粉、镍 粉 等，发生振动，增加材料的内损耗，提高 材 料 的 吸 声 性 能。在外加磁场的作用下，磁性泡沫中 的 铁 磁 颗 粒 重 新排列，颗粒间距发生变化。从而可以 利 用 磁 场 改 变 泡沫材料的力学性能和物理结构来调控声波传输［３－６］， 达到主动控制的目的。

目前，国内许多学者已经在磁性聚氨酯泡沫的吸 声和力学性能上进行了大量的研究。Ｓｃａｒｐａ等［７］利用 永磁体对浸泡了磁流变液的泡沫施加磁场制备了磁性 泡沫，发现磁场会令泡沫吸声曲线发生偏移，但这种类型的泡沫的物理结构并不稳定，声学和机械可 重 复 性 差。Ｓｏｒｒｅｎｔｉｎｏ等［８］发现添加了铁磁颗粒的聚氨酯泡 沫力学性能得到了一定程度的增强，并利用永 磁 体 制 备出了铁磁颗 粒 质 量 分 数 的１５％的各 向 异 性 聚 氨 酯 泡沫，发现在颗粒成链方向上，各向异性泡沫的弹性模 量相比于普通聚氨酯泡沫增加了３倍。Ｉｖａｎｅｙｋｏ等［９］ 以各向异性程度不同的磁敏材料为研究对象，利 用 流 变仪发现样品的储能模量随着磁场的震荡频率增加而 增加，而且样品的各向异性程度越高，储 能 模 量 越 大。Ｍｕｈａｚｅｌｉ等［１０］以各向同性磁性聚氨酯泡沫为研究对 象，发现羰基铁粉含量的加入会让泡沫的平均孔径减 小，储能模量增大，吸声峰值向低频偏 移，且 在 铁 粉 质 量分数为 ７０％（质量 分 数）时，泡沫吸声系数增大到 ２２９％。Ｋｉｍ 等［１１］发明 了 一 种 新 的 泡 沫 结 构：在 螺 旋 状薄层材料泡沫中心放置一块磁铁，并在测试 的 时 候 外加磁场实现了对泡沫的吸声性能的控制。目前这些 研究尚未涉及添加铁磁颗粒的磁性聚氨酯泡沫在可控 磁场下吸声性能和力学性能的变化。

本文基于课题组前期研究的基础［５，１２－１３］，以羰基铁 粉为改性体，聚氨酯泡沫为基体，采用一步全水发［８］泡 制备羰基铁 粉 质 量 分 数 为８０％（质量 分 数）的 各 项 异 性与各向 同 性 的 磁 性 聚 氨 酯 泡 沫（ｍａｇｎｅｔｉｃｐｏｌｙｕｒｅ－ ｔｈａｎｅｆｏａｍ，简称 ＭＰＵＦ）。采用 美 国 ＴＡ 流变 仪 测 量在交变磁场作用下，磁性泡沫力学 性 能 的 变 化。自 制磁场发生装置，利用传递函数法测量在不同的磁场 作用下，磁性泡沫吸声性能的变化。

１ 实验分析

１．１ ＭＰＵＦ力学性能测量

Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ型流变仪 可 以 在 稳 定 或 变 速 情 况 下 测 量扭 矩，用夹具因子将物理量转化为流变学的参数。可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面 的 流 变 性能。本文中 ＭＰＵＦ 的力 学 性 能 采 用 美 国 ＴＡ 公司 生产的 ＤＨＲ－２型流变仪进行测试。将测试样本 切 割 成厚度为１ ｍｍ，直径 为２０ ｍｍ 的薄 片，实 验 温 度 为 ２５ ℃，设定交变的磁场周期为１００ｓ，总时长为５００ｓ， 最大磁场强度为０．５Ｔ。图１流变实验测量实物图。

１．２ ＭＰＵＦ声学性能测量

将测试样品切割成厚度为２５ｍｍ，半径为５０ｍｍ 的圆柱形 泡 沫 块，采用北京声望声电技术有限公司 （ＢＳＷＡ）生产的ＳＷ４２２型阻抗管，ＭＣ３２４２多通道数 据采集仪和国标 ＧＢ／Ｔ１８６９６．２－２００２［１４］中的传递函数 法，对 ＭＰＵＦ６４－１６００Ｈｚ范围内的吸声性能进行测试。为了实现在测量过程中对 ＭＰＵＦ磁场的施加，在阻抗 管原活塞处添加了自制的磁场发生装置，图２为 改 装 后的 ＭＰＵＦ吸声 实 验 原 理 图，图３为 ＭＰＵＦ 吸声 实 验实物图。

磁场发生装置的大致结构为：将原活塞杆 件 的 材 料替 换 为 导 磁 性 较 佳 的１０号钢，在 杆 件 上 用 直 径 为 ０．７１ｍｍ的线圈缠绕约７０００匝，并在线圈外套上一个 由１０号钢做成的外筒包裹住线圈。经过ｃｏｍｓｏｌ有限 元仿真 优 化 结 构 后，选 取 样 品 厚 度１０ ｍ 处仿 真 出 在 ０．５，１和１．５Ａ３种情况下的磁场强度。图４为样品厚 度１０ｍｍ 处不同电流的磁场 强 度。图５为 试 样 厚 度 １０ｍｍ 处平均磁场强度与电流的关系。

１．３ 各向同性／各向异性磁性聚氨酯复合泡沫材料的制备

图６为本文制备各向同性与各向异性磁性聚氨酯 泡沫的流程图。图７为３种吸声泡沫材料。图７（ａ）为 常规泡沫材料；图７（ｂ）为各向同性磁性聚氨酯泡沫；图７（ｃ）为各向异性磁性聚氨酯泡沫。表１为各原料的 配比。各向同性聚氨酯泡沫（ＲＦ）的制作流程为：先将 聚醚多元醇和羰基铁粉在室温条件下混合均匀，然 后 加入发泡剂去离子水、表面活性剂硅油、催化剂二丁基 锡二月桂酸，室温下充分混合均匀，然后按表１称取一 定量的 Ｂ组分 ＭＤＩ，倒入 Ａ 组分中，搅拌３０ｓ，快速倒 入模具中，室温下固化成型［１３］。各向异性聚氨酯泡沫 （ＡＦ）的制备 过 程 是 采 用 与 ＲＦ 的相同制备方法基础 上，在发泡的过程中施加５０ｍＴ 的磁场，施加磁 场 的 时间为３ｈ。

２ 结果与讨论

２．１ 力学性能分析

图８显示了在施加磁场的情况下样品的储能模量 的变化。利用流变仪自带的磁场发生装置，磁 场 强 度 首先从０逐步增大到０．５Ｔ，然后减小到０Ｔ。此后，通 过改变电 流 的 方 向，磁 场 进 一 步 降 低 到 －０．５Ｔ。最 后，磁场再回到０Ｔ，一个周期的时长为１００ｓ。整个实 验过程，在同样的剪切频率下，将８０％（质量分数）各向 异性与各向同性的磁性聚氨酯泡沫施加０～０．５～０～ －０．５～０Ｔ５个循环，共计５００ｓ。

在第一个磁场周期中，０～０．５Ｔ时各项同性磁性聚 氨酯泡沫储能模量从１．１６×１０５Ｐａ上升至１．２０×１０５Ｐａ， 在磁场强度为０．５～０Ｔ 时，泡沫的储能模量发生了下 降，当改变电流方向，磁场强度从０Ｔ 变为－０．５Ｔ时， 储能模量再次上升，并在磁场强度达到－０．５Ｔ 时，储 能模量达到第一个周期内的最大值至１．２３×１０５ Ｐａ，当 磁场强度从－０．５～０Ｔ 时，磁场强度再度降低，即每个 周期内，磁性泡 沫 的 储 能 模 量 与 磁 场 大 小 的 绝 对 值 有 关。在图８（ａ）中，样 品 经 历 了 五 个 循 环，在 每 个 周 期 中，ＲＦ的储能模量在－０．５Ｔ 时达到一个极限值，而随 着周期次数 的 增 加，极 限 值 也 在 增 加。在 完 成 最 后 一 个磁场周期后，各项同性 泡 沫 的 储 能 模 量 达 到 了１．３３ ×１０５Ｐａ，相比于最初未施加磁场的储能模量，ＲＦ的储 能模量最 终 上 浮 了 约 １４．６％。这是因为在磁场作用 下，羰基铁粉成 链 状 排 列 增 加 了 粒 子 之 前 的 应 力 传 递 从而弹性模量得到了增加，在周期变化的磁场中，羰基 铁粉的运动在不断进行［１５］。

各项异性的磁性聚氨酯泡沫在磁场周期内的变化 趋势与各项同性 保 持 一 致，在 经 历 了５个 交 变 的 磁 场 周期后，ＡＦ的储能模量增加了约１５．８％，其整体的储 能模量和变 化 幅 度 都 要 大 于 ＲＦ。这是 因 为 ＡＦ 的铁 磁颗粒在固化过程中因为外加磁场的作用成链状有序 排列，当沿着铁磁颗粒方向上施加磁场时，磁性泡沫聚 合物可调控的力学性能和物理结构的变形要大于其它 方向［１６］。

２．２ 吸声性能分析

无论是各向异性还是各向同性的磁性聚氨酯泡 沫，每个泡沫内部孔的分布依然是具有较强随机性的， 而孔对样品的吸声系数影响又是巨大的。因 此，虽 然 所用材料配 比 相 同，发 泡 时 间 相 同，施加磁场强度相 同，每个样品之间的吸声系数依然有不小的差距。为 了保证结果的 准 确 性 和 可 重 复 性，各向同性与各向异 性的泡 沫 均 制 备 了ｓａｍｐｌｅ１，ｓａｍｐｌｅ２，ｓａｍｐｌｅ３ 共 ３ 个样品。

利用阻抗管和传递函数法（国际）对每个磁性聚氨 酯泡沫样品都进 行 了３次 的 重 复 测 量，经 过 比 较 发 现 每次重复测量 结 果 之 间 的 差 异 很 小，如 此 证 实 了 测 量 方法和测量结果的稳定性和可靠性。为了保证最终结 果的准确性，图９中所有的测量结果均是取３次 测 量 结果的平均值。图９为各项同性磁性聚氨酯泡沫在不 同磁场下的吸声曲线。图９（ａ）为 ＲＦ在线圈电流为０ Ａ 时３个样的吸声曲线；图９（ｂ）为 ＲＦ在线圈电流为１ Ａ 时３个样的吸声曲线；图９（ｃ）为 ＲＦ 在线 圈 电 流 为 １．５Ａ 时３个样的吸声曲线。图１０为各向异性磁性聚 氨酯泡沫在不同磁场下的吸声曲线。图１０（ａ）为 ＡＦ 在线圈电流为０Ａ 时３个样的吸声曲线；图１０（ｂ）为 ＡＦ在线圈电流为１Ａ 时３个样的吸声曲线；图１０（ｃ） 为 ＡＦ在线圈电流为１．５Ａ 时３个样的吸声曲线。

为了量化评定磁性聚氨酯泡沫整体吸声性能的变 化，利用式（１）对６４～１６００Ｈｚ范围和６４～５００Ｈｚ范 围内吸声系数区平均

（１） 式中，α１、α２…αｎ 分别为６４，６６…１６００和６４，６６… ５００Ｈｚ的吸声系数，ｎ 为数量。图１１为各项异性和各 向同性泡沫在不同 磁 场 强 度６４～１６００ Ｈｚ的平 均 吸 声系数和方差；图１２为各项异性和各向同性泡沫在不 同磁场强度下６４～５００Ｈｚ的平均吸声系数和方差。

从图１１可以看出，在６４～１６００Ｈｚ范围内，尽管 施加磁场之后平均吸声系数有下降的趋势，但 磁 场 对 整体吸声系数影响并不是很理想。从图１２可以看出， 在６４～５００Ｈｚ的低频段各向同性的磁性聚氨酯泡沫 的吸声性能要优于各向同性磁性聚氨酯泡沫，但 磁 场 对低频段的吸声性能的影响也并不大。总 而 言 之，尽 管在部分频段各项异性的磁性聚氨酯泡沫出现了较优 的吸声情况，在磁场的作用下吸声系数也得到了一定 程度的改变，磁场对磁性泡沫的吸声影响依然有限。

３ 结 论

旨在探寻磁性泡沫在磁场作用下的可调吸声和力 学性能。通过实验，制备了羰基铁粉质量分数为８０％ （质量分数）的各向同性与各向异性的聚氨酯泡沫，测 试并对比了在磁场作用下，磁性泡沫吸声性能 和 储 能 模量的变化，得出如下结论：

（１） 通过 ＴＡ 流变仪对磁性聚 氨 酯 泡 沫 在 磁 场 作用下的储能模量的测试结果可知，磁性聚氨 酯 泡 沫 的储能模量会随着磁场绝对值的增加而增大，且 各 向异性的储能模量增长幅度要大于各向同性。

（２） 通过对比储能模量结果可知，各向异性磁性 聚氨酯泡沫的储能模量要高于各向同性。

（３） 通过宏观的吸声测试实验发现，磁场对磁性 聚氨酯泡沫在低频段的吸声性能影响有限。

测试发现，无论对 ＲＦ 还是 ＡＦ，磁场对磁性 泡 沫 在低频段的吸声性能影响都不是很理想，可能 原 因 是 为了提高磁性泡沫对磁场的响应，制备了相对 磁 导 率 较高、铁磁颗粒含量较高的磁性泡沫，导致泡沫的硬度 较大。当施加磁场时，铁磁颗粒被固定在泡沫结构中， 响应较弱。同时为了保证吸声测量的准确性，结 合 驻 波管结构改造的磁场发生装置受到空间的影响，产 生 的磁场强度不是很大，磁场强度不够导致铁磁颗粒所 受力不够，对磁性泡沫的结构影响较弱，从而导致实验 中磁场对吸声的影响较小。另外，磁场 发 生 器 的 结 构 限制导致了磁场分布并不均匀，无法满足各向 异 性 的 泡沫在成链方向上受到均匀的磁场。

对比吸声测试结果发现，虽然 ＡＦ在６４～１６００Ｈｚ 范围内的吸声性能要略优于 ＲＦ，但在６４～５００Ｈｚ的低 频段范围内，ＡＦ的吸声性能要差于 ＲＦ。

在力学性能的测试中，磁性泡沫的储能模量随着磁 场大小的绝对值变化而变化，并在周期变化的磁场中， 储能模量不断增长，此结果证实了磁性颗粒在外磁场作 用下相互作用，导致材料变形的猜测，为新型智能泡沫 在非线性可调控力学机制上提供了新的实验基础。