多孔微通道结构材料及其在消声上的应用前景
一、项目及产品简介
微通道塑料薄膜(MCF)最初是由英国剑桥大学化工系提出，它通过一种特殊的工艺挤出成型。该挤出工艺结合了塑料薄膜、中空纤维和泡沫塑料的加工技术。在此塑料薄膜内，沿着膜的长度方向排列多条平行中空的微通道。通过对流量和牵引速率比等加工条件的合理调节，不仅能够控制微通道的直径(10μm~1mm)，也能控制微通道的形状。
2008年6月-2009年9月浙江大学许忠斌教授圆满完成了在英国剑桥大学的有关合作研究。按期回国后，在国家自然科学基金等项目的资助下，主持完成了微通道塑料薄膜加工技术的开发工作，研究了MCF的挤出成型工艺，设计了MCF挤出实验装置。2010年，课题组研制成功国内唯一的一条小规模MCF生产线（浙江大学）。LLDPE挤出制得的MCF，宽度20mm左右，厚度0.6-0.7mm左右，内部28条通道内径为100-150μm左右。至今，已研制成功19孔MCF和28孔宽幅MCF以及相关制品，深入开展了MCF成型工艺及机理研究，并开始产业化应用于防伪包装、生物医学等领域。由低密度聚乙烯(LDPE)挤出制得的含有28条微通道的MCF产品及横截面见图1。
图1 典型MCF产品及横截面图
微通道塑料薄膜加工具有设备投入少、生产成本低、产品附加值高等特点，国外已经成功开展MCF用于微型换热器、微型反应器以及生物医学实验研究。这些研究结果表明MCF具有良好的传热、传质效果，且能应用于微流体系统及
生物医学领域。近年来，许忠斌教授课题组对微通道塑料制品加工机理开展了深入研究，采用特殊设计的缝隙口模，搭建了多功能微通道塑料制品挤出加工过程的实验平台。整个实验装备由挤出装置、缝隙口模、供气装置、冷却定型部件及数据采集处理等辅助系统组成。挤出装置用于将聚合物原料塑化，缝隙口模用于微通道横截面成型；冷却定型部件用于制品拉伸和收卷；供气装置提供不同压力的气源，与挤出机头内的注射芯体连接，调节微通道横截面的形状和大小。
二、在军事与空间消声上的应用前景
消声技术是提高潜艇隐身性能，提高其战斗力和生存能力的最有效措施之一。潜艇的声学特征控制技术是一门综合应用技术。消声瓦利用材料的空腔结构将声音转化为热能而被消耗，是一种较为成熟的防声纳探测技术。高性能的消声瓦不仅具有优良的吸声性能，而且具备优良的隔声性能和抑振性能，也就是说使用消声瓦不仅能吸收敌方声的探测声波，也能最大限度地隔离本艇的辐射声波。高性能的消声瓦还可用于声纳舱的非窗口舱，作为吸声障板，消除回波干扰和艇的辐射噪声干扰，提高声纳的探测性能。因此，对于新型消声材料及结构的研究，开发拥有自主知识产权的、性能优越的消声材料是提高我军潜艇战斗力和生存能力的关键。
目前被认为比较有前景的消声瓦技术有：英国海军目前使用的聚氨酯材料、法国海军的聚硫橡胶、广泛用于声学材料的丁基橡胶；美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板消声瓦；其他形式的复合材料与复合声学结构相结合的消声瓦。同时，消声瓦的使用日趋专用化，适于特定场合的专用型消声瓦逐渐得到广泛应用。要求消声瓦既保持吸声效果，还要使其具有减振的作用，将来还会出现并广泛应用的以降低本艇自噪声为主要目的的“特种消声瓦”。而三明治夹层吸声结构，集外壳结构与吸声功能于一体，且具有振动阻尼性能好、浮力增加、磁信号降低、成型容易等一系列优点，将成为未来水下目标声隐身结构的发展方向。
本课题组研制的微通道塑料薄膜为研发夹层微通道结构复合消声材料提供了新的思路，预期可以让潜艇达到以下的隐身效果：微通道复合结构具有很好的声屏蔽效果，避免了结构内部噪声向外辐射，可降低结构的声目标强度；微通道复合结构材料与钢材料相比，具有较大的结构阻尼，使得振动水平大大降低；复合结构材料可以降低磁信号。其也可广泛应用于船艇的上层材料体系，替代铝蜂窝、巴沙木、PVC泡沫等普通芯材，具有强度高、成型工艺简便、制造效率高、保温、隔音、易于小型构件仿形制备、成本低等综合优势。应用范围包括：船体、甲板、内装、门、活动铺板、机舱盖板等。
图2夹层微通道结构复合消声材料示意图
如图2所示，图中上下表层材料起支撑作用，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，且要求其透声性能较好，能使入射声波尽可能的进入吸声芯层而被吸收；夹芯层由于特有的微通道结构交错排列，可显著提高其吸声消声性能。
本课题组完成的有关声学实验表明，多孔微通道结构材料具有良好的吸声效果。因此，以已有的多孔微通道结构薄膜的加工技术为基础，针对特殊的军事与空间应用场所，改进工艺配方及加工过程参数，可以制取吸声、消声性能良好的新型微通道结构材料。其在潜艇、飞机、飞船等军事与空间消声吸声领域上有着广阔的应用前景。