本研究旨在定量分析孔隙對 3D 打印連續(xù)亞麻纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料(CFFRC) 吸聲性能的影響。采用三種不同線密度的亞麻紗線通過3D打印技術(shù)制備CFRCs?；陔p傳聲器傳遞函數(shù)法，使用阻抗管測量了這些復(fù)合材料的吸聲性能。通過超深度顯微鏡和顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描觀察了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，包括亞麻紗線的橫截面、孔隙形狀和分布，以重建仿真中的精確結(jié)構(gòu)。使用汞入侵孔隙率測量法測量了 CFFRCs 的孔隙尺寸。通過在 COMSOL 軟件中進(jìn)行仿真，根據(jù)熱粘聲學(xué)理論揭示了孔隙對 CFFRCs 聲吸收機(jī)制的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CFFRCs 在 150-350 Hz 和 350-550 Hz 的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的聲吸收系數(shù)（接近 1），分別歸因于亞麻紗線內(nèi)部和之間的孔隙。隨著線密度的增加（紗線直徑），亞麻紗線內(nèi)部和之間的孔隙含量均增加。亞麻紗線內(nèi)部孔隙的尺寸有所改善，而亞麻紗線之間的孔隙尺寸保持不變。亞麻紗線之間孔隙的存在導(dǎo)致 CFFRCs 的聲吸收系數(shù)降低，而亞麻紗線內(nèi)部空隙的增加導(dǎo)致吸聲頻率的增加。數(shù)值結(jié)果表明，亞麻紗線之間的孔隙導(dǎo)致聲速變化更加均勻，從而降低了聲吸收性能。然而，亞麻紗線內(nèi)部的孔隙由于其狹窄的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)聲波的粘滯摩擦，從而提高 CFFRCs 的聲吸收能力。本研究有望為 3D 打印 CFFRCs 結(jié)構(gòu)與功能的集成設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

一、引言

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，噪聲污染問題日益嚴(yán)重，已成為重要的環(huán)境問題之一。近年來，植物纖維作為一種綠色環(huán)保材料，因其優(yōu)異的吸聲性能和可降解性，逐漸成為吸聲材料研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的人造纖維相比，植物纖維具有層次化結(jié)構(gòu)和空心腔結(jié)構(gòu)，使得其增強(qiáng)的復(fù)合材料具有更好的吸聲性能。目前，關(guān)于 PFRCs 吸聲性能的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：（1）纖維種類、尺寸、含量和取向?qū)ξ曅阅艿挠绊?；?）孔隙對吸聲性能的影響。然而，傳統(tǒng)的復(fù)合材料加工方法（例如熱壓）可能會(huì)使纖維和孔隙結(jié)構(gòu)變得扁平，從而降低 PFRCs 的吸聲性能。3D 打印技術(shù)可以避免上述現(xiàn)象，并且可以在 3D 打印過程中控制孔隙的形成，從而有望提高 PFRCs 的吸聲性能。

近日，Top期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由同濟(jì)大學(xué)航空航天與應(yīng)用力學(xué)學(xué)院、上海飛行器力學(xué)與控制研究所、同濟(jì)大學(xué)民航航空器結(jié)構(gòu)智能輔助適航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的有關(guān)3D 打印亞麻纖維增強(qiáng) PLA 復(fù)合材料的孔隙對其吸聲性能的影響的研究成果。該研究旨在量化分析孔隙對 3D 打印亞麻纖維增強(qiáng) PLA 復(fù)合材料 (CFFRCs) 吸聲性能的影響。論文標(biāo)題為“Experimental and numerical evaluation of the influence of voids on sound absorption behaviors of 3D printed continuous flax fiber reinforced PLA composites”。

二、研究內(nèi)容及方法

該研究通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入分析了孔隙對 3D 打印亞麻纖維增強(qiáng) PLA 復(fù)合材料 (CFFRCs) 聲吸收性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，CFFRCs 表現(xiàn)出優(yōu)異的聲吸收系數(shù)，主要?dú)w因于亞麻紗線內(nèi)部的孔隙，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了聲波的粘滯摩擦，從而提高了熱粘性能量耗散。該研究為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異聲吸收性能的 3D 打印 CFFRCs 結(jié)構(gòu)提供了理論指導(dǎo)。

1.實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用了三種不同線密度的亞麻紗線，通過3D打印技術(shù)制備了CFFRCs樣品，并利用光學(xué)顯微鏡和圖像分析軟件對樣品的截面進(jìn)行了觀察和定量分析。此外，還利用Micro-CT掃描技術(shù)對CFFRCs的孔隙分布進(jìn)行了確定，并通過汞滲透孔隙度測量技術(shù)測量了孔隙尺寸。最后，根據(jù)ISO 10534-2標(biāo)準(zhǔn)，使用雙傳聲器傳遞函數(shù)技術(shù)在阻抗管實(shí)驗(yàn)中測量了復(fù)合材料的吸聲系數(shù)。

圖1 CFRCs 3D打印工藝示意圖。

圖2 亞麻紗線的滲透模型。

2.浸漬和聲傳播過程的數(shù)值分析

通過COMSOL Multiphysics軟件（COMSOL多物理場多尺度仿真技術(shù)交流QQ群：821362511），基于Brinkman方程建立了考慮亞麻纖維實(shí)際微觀結(jié)構(gòu)的浸漬模型，模擬了3D打印過程中PLA樹脂的流動(dòng)。此外，利用熱粘性聲學(xué)理論分析了CFFRCs的吸聲機(jī)理，建立了四分之一代表性體積元素模型，導(dǎo)入了從浸漬模型中獲得的孔隙分布，進(jìn)行了多物理場耦合計(jì)算，包括壓力聲學(xué)和熱聲學(xué)理論。數(shù)值分析結(jié)果有助于理解孔隙對CFFRCs吸聲性能的影響，并為設(shè)計(jì)具有特定吸聲特性的3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

圖3 CFRCs的吸聲模型

3.結(jié)果和討論

研究發(fā)現(xiàn)，隨著亞麻紗線線性密度的增加，紗線內(nèi)部和之間的孔隙含量都有所增加。通過顯微鏡觀察和Micro-CT成像技術(shù)，揭示了孔隙的形態(tài)和分布，發(fā)現(xiàn)紗線內(nèi)部孔隙主要呈縫隙狀，而紗線間孔隙主要呈棱柱狀。此外，通過汞滲透孔隙度測量技術(shù)，分析了不同線性密度CFFRCs的孔隙尺寸分布，結(jié)果顯示內(nèi)部孔隙的平均直徑隨著線性密度的提高而增大，而紗線間孔隙的尺寸則保持不變。這些發(fā)現(xiàn)對于理解孔隙如何影響材料的聲學(xué)性能至關(guān)重要。

圖4 CFRCs的顯微CT圖像：（a，b）139 Tex；（c，d）104Tex；（e，f）42Tex。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所有三種復(fù)合材料在150-350 Hz和350-550 Hz的頻率范圍內(nèi)展示了接近1的高吸聲系數(shù)，這主要?dú)w因于亞麻紗線內(nèi)部和之間的孔隙。這些孔隙的不同形狀和尺寸直接影響了復(fù)合材料的吸聲系數(shù)，其中紗線間孔隙的存在導(dǎo)致吸聲系數(shù)下降，而紗線內(nèi)部更多的孔隙則增加了吸聲頻率。隨著亞麻紗線線性密度的增加，低頻下的吸聲系數(shù)因紗線間孔隙含量的增加而降低，而紗線內(nèi)部孔隙尺寸的增加則導(dǎo)致最大吸聲系數(shù)發(fā)生頻率的變化。此外，通過調(diào)整3D打印參數(shù)，如填充模式和密度，以及層高，可以有效調(diào)節(jié)孔隙的形狀和大小，從而優(yōu)化打印復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高其吸聲性能和整體機(jī)械性能，以滿足特定應(yīng)用的需求。

圖5 三維打印CFRCs浸漬過程后三種浸漬亞麻紗橫截面空隙分布的數(shù)值結(jié)果。

通過COMSOL軟件模擬了不同線性密度亞麻纖維在PLA基體中的浸漬過程，并分析了孔隙分布，發(fā)現(xiàn)紗線內(nèi)部和之間的孔隙對聲波傳播具有不同的影響。紗線內(nèi)部的孔隙由于其狹窄結(jié)構(gòu)增加了聲波的粘性摩擦，從而增強(qiáng)了吸聲能力；而紗線間的孔隙雖然使聲速變化更加均勻，但并未顯著提高吸聲性能。此外，通過數(shù)值分析揭示了CFFRCs的熱粘性能量耗散密度主要集中在紗線內(nèi)部的孔隙處，這表明了內(nèi)部孔隙對聲能吸收的重要性。研究結(jié)果表明，通過控制3D打印過程中的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)孔隙的形態(tài)和尺寸，進(jìn)而優(yōu)化CFFRCs的吸聲性能，以適應(yīng)不同的聲學(xué)應(yīng)用需求。

圖片圖6 具有兩種類型空隙的3D打印CFRCs的吸聲行為的數(shù)值結(jié)果：（a）-（c）聲速，（d）-（f）總熱粘性能量耗散密度，以及（g）-（i）完整模型中的壓力（（a）、（d）、（g）），僅具有亞麻紗線內(nèi)部空隙的部分模型（（b）、（e）、（h）），以及僅具有亞麻紗之間空隙的局部模型（（c）、（f）、（i））。

三、 小結(jié)

該研究量化分析了孔隙對 3D 打印亞麻纖維增強(qiáng) PLA 復(fù)合材料 (CFFRCs) 吸聲性能的影響，并揭示了孔隙對 CFFRCs 吸聲機(jī)制的影響。研究結(jié)果表明，CFFRCs 具有優(yōu)異的吸聲性能，主要?dú)w因于內(nèi)部孔隙?？紫缎螤詈统叽鐚ξ曄禂?shù)有直接影響?？刂瓶紫督Y(jié)構(gòu)可以優(yōu)化 CFFRCs 的吸聲性能。該研究為 3D 打印 PFRCs 的結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

原始文獻(xiàn)：

Bi, Z., Li, Q., Zhang, Z., Zhang, Z., Yang, W., & Li, Y. (2024). Experimental and numerical evaluation of the influence of voids on sound absorption behaviors of 3D printed continuous flax fiber reinforced PLA composites. Composites Science and Technology, 255, 110720.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110720