一种变刚度吸声超材料及其制备方法
1.本发明属于吸声功能材料领域，具体涉及柔性变刚度复合吸声超材料及其制备方法。
背景技术：
2.生活中噪声频率繁杂，尤其低频噪声由于传播距离远，穿透能力强，如果噪声超过一定限值，就对日常生活中的人会造成严重的身心健康的破坏。穿透隔声材料，吸声材料性能及尺寸往往受限于质量密度定律与声波波长。导致较好的吸声材料，其自身密度及体积相对较大，所以并不能很好的处理噪声污染。所以若要尽可能的吸收噪声污染，那么就要求材料的体积和密度尽可能的小，以便更广泛的使用。所以探索小尺寸变刚度吸声材料的设计与制备方法很有必要。
3.熔融层积成型技术(fdm)是目前使用最为广泛的块速成型技术，它利用加热块对丝材进行加热熔化后，由喷嘴对零件从点到线，线到面，面到体的逐层叠加获得所需零件形状。可以成型的材料有低熔点金属，高分子聚合物，以及易于熔融沉积成型的复合材料等多种丝材。fdm技术具有成本低，加工周期短，支持小批量直接生产，可实现其他技术无法制造的复杂几何形状和内腔，且拥有完美的稳定性和重复性等优点。但是不同弹性模量材料异质结合打印研究较少，最普遍的是基于单一材料的结构制备，并且将材料特性与结构功能相结合的方法更是罕见。
4.光固化增材制造技术是近年来应用十分广泛的增材制造技术，由于其超高的制造精度，以及较快的加工速度，经常用来加工精度要求较高的零件或者，对精度高形状复杂的模型进行模具制备，通过倒模浇筑的方法实现制造。光固化的成形原理主要分为两类：a.点成形技术(sla)、b.面成形技术(dlp)。但是不论哪种成形方式，针对现有的加工方法都是单一材料的加工，并没有设计多材料异质结合光固化打印的研究与案例。从功能结构出发对成型器件的研究更为罕见。
技术实现要素：
5.本发明针对现有设计方法与制备技术的不足之处，本发明目的是提供变刚度声学超材料及其制备方法，本发明采用多材料异质结合增材制造、倒模浇筑或注塑加工工艺，通过材料刚度的调节拓宽吸声频带，优化吸声效果，同时提高材料的利用率，大幅度减小超材料的厚度，满足了任意频段的吸声隔声材料的设计制造需求。
6.本发明是通过下述技术方案来实现的；
7.本发明提供了一种变刚度吸声超材料的制备方法，包括：
8.通过计算机构建吸声超材料的三维模型，以不同材料结合面为边界对构成吸声超结构的三维模型进行分割，以不同材料结合面为边界进行装配重组；
9.选取不同刚度的材料，使用不同的加工工艺，对吸声超材料中不同材料的各部分分别加工；
10.根据不同的工艺方法，将不同材料的各个部分进行组合装配或一体化成型制备，待不同部分组合结合面完全相互粘附成一个整体，充分时间静置后，得到变刚度吸声超材料。
11.作为优选，通过计算机构建吸声超材料的三维模型包括：
12.根据目标吸声频段，确定可覆盖目标频段的吸声超材料的三维结构，再确定不同材料三维结构各局部结构刚度，选取不同柔性材料满足局部结构刚度；
13.以不同材料的结合面为边界对三维模型进行分割，再将分割好的模型装配回原三维结构。
14.作为优选，不同刚度的材料包括柔性聚合物、柔性树脂材料、预聚物与光引发剂混合物和高强刚度材料。
15.柔性聚合物包括苯乙烯系热塑性弹性体sbs、茶乙烯一异戊二烯一苯乙烯sis、三元乙丙橡胶epdm、热塑性三元乙丙动态硫化橡胶tpv、聚烯烃热塑性弹性体tpo、主热塑性聚氮酯弹性体橡胶tpu、热塑性聚酯弹性体tpee和聚丙乙烯ppe。
16.柔性树脂材料包括邻苯型不饱和聚酯树脂、水性丙烯酸树脂、共聚石油树脂或环氧树脂。
17.所述预聚物与光引发剂混合物为预聚物与光引发剂按照质量比为(96.5～97):(3～3.5)混合的混合物；
18.预聚物包括环氧丙烯酸酯ea、聚氨酯丙烯酸酯pua、聚酯丙烯酸酯pea、聚醚丙烯酸酯或乙烯基树脂；
19.光引发剂包括超支化聚氨酯丙烯酸酯hbp2ua—hmpp、二苯甲酮或硫杂蒽酮。
20.高强刚度材料包括abs、聚乳酸pla或聚醚醚酮peek。
21.作为优选，根据不同材料结合面，采用增材制造、倒模浇筑加工工艺对吸声超材料中不同材料的各部分分别加工；
22.增材制造包括熔融沉积挤出成型工艺或光固化成型工艺。
23.作为优选，不同材料结合面为不规则接触面，采用熔融沉积挤出成型工艺制备变刚度吸声超材料，包括：
24.s1:对声学超材料进行三维建模，在三维切片软件中进行组合切片，确定规划路径，不同材料结构相互不干扰；
25.s2:选取熔点相近，且刚度满足设计需要的热塑性聚合物材料；
26.s3:利用多喷头熔融沉积挤出机使用不同的喷头分别挤出不同材料，在不同材料结合面，适当更改打印g-code；
27.s4:熔融沉积加工完成后，后处理的过程中制备内腔环境温度要求保持在低于柔性材料最低熔融点60-150℃，至少静置30分钟；
28.s5:待样品缓慢降至室温后，将制备的结构从设备中取出，即得。
29.作为优选，不同材料结合面为不规则接触面，采用光固化成型工艺制备变刚度吸声超材料，包括：
30.s1:构建多材料三维模型，选择柔性光敏树脂中弹性模量不同的树脂，按照设计要求将不同树脂混合后制备；
31.s2:在光固化成型过程中更换材料实现异质复合打印，使用清洗溶剂对更换材料
前的被加工件表面进行清洗；
32.s3:更换树脂材料后，将不同树脂结合面第一层的曝光固化时间延长2s-5s，确保不同刚度的树脂有较好的界面结合性能；
33.s4:以此类推，自上而下依次完成不同材料的结构制备。
34.作为优选，光固化成型工艺制备变刚度吸声超材料，对于串联式变刚度吸声超材料的加工，通过对不同材料的位置高度标记，将不同的光敏树脂依次导入成型槽，实现串联式变刚度吸声超材料自下而上一体化制备。
35.作为优选，不同材料结合面可构成连通的可浇筑腔体，采用增材制造与倒模浇筑工艺制备变刚度吸声超材料，包括：
36.对声学超材料结构不同材料的边界进行增材制造工艺制备，在获得结构边界轮廓后，将对应的材料采用倒模浇筑工艺浇筑在制备好的腔体中，待其固化。
37.作为优选，将不同材料的各个部分进行组合装配，不同部分组合结合面完全相互粘附，充分静置2-6h，静置环境应保持在室温15-25℃。
38.本发明另一方面，提供了一种所述方法制备的变刚度吸声超材料。
39.本发明受启发于增材制造技术，适用于一切可灵活使用增材制造、倒模浇筑、注塑等加工工艺的材料。主要利用不同材料的物理特性不同，以及增材制造理论上可任意成型的特点，实现对吸声超材料中不同材料按功能分配在所需空间位置。不仅可以通过材料特性尽可能的拓宽吸声频带、优化吸声效果，同时由于对材料有极高的利用率，可以大幅度减小超材料的厚度，该变刚度吸声超材料的设计制备方法能够满足任意频段的吸声隔声材料的设计制造需求。
40.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
41.1.与现有单一材料、单一刚度吸声超材料相比，本发明在设计过程中充分发挥了材料特性，增加了空间的利用率。在提升声学性能的同时，极大的减小了声学超材料的设计厚度与尺寸。
42.2.本发明是通过增材制造技术，直接或间接制备而得，相较于传统组合型，发泡型，孔隙型，纺织物型等吸声材料，拥有更高精度，所以相对声学性能的稳定性、一致性也更好。
43.3.传统吸声隔声材料大而笨重，工艺过程复杂繁复，本发明提出的变刚度吸声超材料尺寸小、制备工艺简单、无中间废料输出，成本低廉、环境友好。
附图说明
44.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
45.图1(a)、(b)是计算机构建吸声超材料的三维模型的搭建与分割示意图；
46.图2是不同弹性模量柔性材料并联异质结合的结构；
47.图3是不同弹性模量柔性材料串联异质结合的结构；
48.图4是不同弹性模量柔性材料复杂异质结合的结构；
49.图5是多材料熔融沉积工艺示意图；
50.图6是多材料光固化异质材料成型工艺示意图；
51.图7(a)-(c)是结合增材制造技术与倒模浇筑技术制备方法示意图。
52.其中；图1-图7中不同的剖面线代表不同刚度的材料与结构。1、2、3、4-分别表示构成变刚度吸声超材料的不同刚度材料，5、6、7、8-分别表示熔融沉积工艺中不同材料的打印喷头，9-熔融沉积工艺加工中的变刚度吸声超材料，10-光固化设备底板，11-光固化工艺加工中的变刚度吸声超材料，12-光固化树脂成型槽，13-光敏树脂，14-uv显示屏。
具体实施方式
53.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
54.本发明变刚度吸声超材料设计方法及制备工艺，具体实施过程为：
55.步骤1，超材料结构的搭建与分割
56.通过计算机构建吸声超材料结构的三维模型。由于设计吸声超材料的结构是由不同的材料构成，所以需要确定不同材料组成的结构，根据目标吸声频段，确定可覆盖目标频段的吸声超材料的三维结构；通过计算机辅助设计，超材料组成的各部分以结合面为边界，再确定不同材料三维结构各局部结构刚度，选取不同柔性材料满足局部结构刚度；以不同材料的结合面为边界对三维模型进行分割，再将分割好的模型在计算机中装配回原三维结构。
57.根据一个实施例，如图1(a)、图1(b)所示，将超材料分割成二分之一，再分割为四个独立的模型后，依次构建构成变刚度吸声超材料的不同刚度材料1、2、3、4，再通过计算机组合装配在一起。
58.步骤2，依据超材料设计结构，选择合适的加工工艺
59.本发明实施例提供了三种不同结构的声学超材料，选取适合的工艺方法加工制备。
60.采用不同刚度的材料为弹性模量不同的柔性材料，包括柔性聚合物、柔性树脂纺织材料、预聚物与光引发剂混合物(光敏树脂)和高强度刚性材料。
61.其中，柔性聚合物包括苯乙烯系热塑性弹性体(sbs)、茶乙烯一异戊二烯一苯乙烯(sis)、三元乙丙橡胶(epdm)、热塑性三元乙丙动态硫化橡胶(tpv)、聚烯烃热塑性弹性体(tpo)、主热塑性聚氮酯弹性体橡胶(tpu)、热塑性聚酯弹性体(tpee)、聚丙乙烯(ppe)或柔性树脂材料。
62.柔性树脂材料包括：邻苯型不饱和聚酯树脂、水性丙烯酸树脂、共聚石油树脂或环氧树脂。
63.预聚物与光引发剂混合物为预聚物与光引发剂按照质量比为(96.5～97):(3～3.5)混合的混合物。
64.预聚物包括：环氧丙烯酸酯ea、聚氨酯丙烯酸酯pua、聚酯丙烯酸酯pea、聚醚丙烯酸酯或乙烯基树脂。
65.光引发剂包括：超支化聚氨酯丙烯酸酯hbp2ua—hmpp、二苯甲酮或硫杂蒽酮。
66.高强度刚度材料包括刚性聚合物abs、聚乳酸(pla)、聚醚醚酮(peek)。
67.对设计好的声学超材料进行建模分析后，查看设计的结构中以模型z轴作为参考，对比图2-4中的结构，如果只包含图2中的结构可以使用增材制造、倒模浇筑加工两种工艺
中的任意一种工艺进行加工，增材制造包括熔融沉积挤出成型工艺或光固化成型工艺。如果包含图3、图4中的结构，可以使用熔融挤出制备工艺，但是如果需要使用光固化制备工艺，需要提前设计工艺步骤方便浇筑。
68.图2所示，不同材料结合面为不规则接触面，采用熔融沉积挤出成型工艺或光固化成型工艺制备变刚度吸声超材料。
69.实施例1中，如图2所示，采用熔融沉积挤出成型工艺变刚度吸声超材料制备方法，包括以下步骤：
70.s1:对设计声学超材料进行三维建模，如果该结构由两种及以上材料组成，包括柔性聚合物、柔性树脂材料。需要对不同材料的结构分别进行建模，然后在三维切片软件中进行组合切片，并对切片规划的路径(g-code)进行检查，避免不同材料结构干扰，异质材料互相掺杂的现象出现。
71.s2:依据设计需求，选取熔点相近，且刚度满足设计需要的聚合物材料，通过对制备过程中的环境与工艺参数的调整获得理想的异质材料结合效果。
72.s3:利用多喷头熔融沉积挤出机对设计好的变刚度吸声超材料进行制备，如图5所示，使用不同材料的打印喷头5、6、7、8分别挤出不同材料，在不同材料结合面，适当更改g-code，增加不同材料接触面的粘附力，在满足材料设计物理性能的前提下，实现较高的工艺精度、制备质量。
73.更改g-code具体为：对结合面处的g-code主要更改内容为：1.结合面处挤出量e，根据材料特性将挤出比上调至120％-150％，增加不同材料间的界面结合力。2.结合面处的走线路径调整为十字交错的走线方式，避免由于单一路径导致界面结合效果变差。3.界面结合处的走线间距调整为喷嘴直径的0.7-0.9之间。
74.由于是自上而下的层积成型，所以可以实现异质材料包裹、内嵌等传统加工工艺无法完成的一体化制备工艺。
75.s4:在熔融沉积加工完成之后，为了避免不同材料由于冷却过程不均匀，导致不同的收缩，破坏结合面的粘附强度。所以在后处理的过程中制备内腔环境温度要求保持在低于柔性材料最低熔融点60-150℃，至少静置30分钟，避免收缩对声学、力学性能产生影响。在熔融沉积设备加工完毕后，保持底板温度均匀缓慢下降。
76.s5:等待样品降至室温后，将制备的结构从设备中取出，即得熔融沉积工艺加工中的变刚度吸声超材料9。
77.实施例2中，如图2所示，采用光固化成型工艺变刚度吸声超材料制备方法包括以下步骤：
78.s1:构建多材料三维模型，选择柔性光敏树脂中弹性模量不同的树脂，采用预聚物与光引发剂混合物按照设计所需可以将不同树脂混合后制备，获得所需弹性模量的不同树脂。
79.s2:对设计声学超材料结构进行分析，如果是图2中串联结构，可以在光固化过程中之间更换材料实现异质复合打印。所加工零件的首层树脂会通过紫外uv光照射粘附在光固化设备底板10上，之后依次由上至下层积成型，成型过程中需要更换材料时，则需要将打印平台提升至打印设备可提升的最高处，使用有机清洗溶剂(乙醇等)对以加工成型的零件清洗，确定零件表面无残留树脂后，更换树脂槽中的树脂。
80.具体实施方法如下：在存在不同材料的结合界面处，在其中一种材料加工成型后，对零件表面使用清洗溶剂清洗，使零件内无未固化树脂残留，然后更换树脂槽中的树脂，对零件剩余结构进行加工。
81.将不同的刚性、柔性光敏树脂依次导入光固化树脂成型槽12，实现串联式变刚度吸声超材料11自下而上一体化制备。
82.s3:更换树脂材料图6中的光敏树脂13后，需要将不同树脂结合面第一层的曝光固化时间延长2s-5s，主要通过对底部uv显示屏14控制曝光时长与曝光图像。，以此确保不同刚度的树脂有较好的界面结合性能。
83.s4:以此类推，自上而下依次完成不同材料的结构制备后，取出即得。
84.图3、图4所示，为不同材料结合面可构成连通的可浇筑腔体，采用增材制造与倒模浇筑工艺制备变刚度吸声超材料。
85.具体的，实施例3中，采用结合增材制造与倒模浇筑制备方法，包括：
86.对设计声学超材料结构进行分析，如果是图3、图4中并联或复杂结构，需要对其不同材料的边界进行增材制造工艺制备，选择柔性树脂和高强刚度材料，对边界制备，在获得图7(a)中其边界的壳之后，将不同的材料采用倒模浇筑工艺浇筑在制备好的图7(b)腔体中，待其固化。
87.浇筑过程中尽量选择浇筑材料与边界有较好的粘附效果的材料，由内到外依次浇筑装配即得图7(c)所示材料结构。
88.步骤4，将不同材料的各个部分进行组合装配：
89.待不同部分组合结合面完全相互粘附成一个整体，充分静置2-3h以上，静置环境应保持在室温15-25℃，得到变刚度吸声超材料。
90.本发明解决了单一材料的结构制备吸声材料自身密度及体积相对较大，所以并不能很好的处理噪声污染等问题，本发明小尺寸变刚度吸声材料采用多材料异质结合光固化打印工艺，通过材料拓宽吸声频带，优化吸声效果，同时提高材料的利用率，大幅度减小超材料的厚度，满足了任意频段的吸声隔声材料的设计制造需求。
91.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，包括：通过计算机构建吸声超材料的三维模型，以不同材料结合面为边界对构成吸声超结构的三维模型进行分割，进行装配重组；选取不同刚度的材料，使用不同的加工工艺，对吸声超材料中不同材料的各部分分别加工；根据不同的工艺方法，将不同材料的各个部分进行组合装配或一体化成型制备，待不同部分组合结合面完全相互粘附成一个整体，充分时间静置后，得到变刚度吸声超材料。2.根据权利要求1所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，通过计算机构建吸声超材料的三维模型包括：根据目标吸声频段，确定可覆盖目标频段的吸声超材料的三维结构，再确定不同材料三维结构各局部结构刚度，选取不同柔性材料满足局部结构刚度；以不同材料的结合面为边界对三维模型进行分割，再将分割好的模型装配回原三维结构。3.根据权利要求1所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，不同刚度的材料包括柔性聚合物、柔性树脂材料、预聚物与光引发剂混合物和高强刚度材料；所述柔性聚合物包括苯乙烯系热塑性弹性体sbs、茶乙烯一异戊二烯一苯乙烯sis、三元乙丙橡胶epdm、热塑性三元乙丙动态硫化橡胶tpv、聚烯烃热塑性弹性体tpo、主热塑性聚氮酯弹性体橡胶tpu、热塑性聚酯弹性体tpee或聚丙乙烯ppe；所述柔性树脂材料包括邻苯型不饱和聚酯树脂、水性丙烯酸树脂、共聚石油树脂或环氧树脂；所述预聚物与光引发剂混合物为预聚物与光引发剂按照质量比为(96.5～97):(3～3.5)混合的混合物；预聚物包括环氧丙烯酸酯ea、聚氨酯丙烯酸酯pua、聚酯丙烯酸酯pea、聚醚丙烯酸酯或乙烯基树脂；光引发剂包括超支化聚氨酯丙烯酸酯hbp2ua—hmpp、二苯甲酮或硫杂蒽酮；所述高强刚度材料包括abs、聚乳酸pla或聚醚醚酮peek。4.根据权利要求1所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，根据不同材料结合面，采用增材制造、倒模浇筑加工工艺对吸声超材料中不同材料的各部分分别加工；增材制造包括熔融沉积挤出成型工艺或光固化成型工艺。5.根据权利要求4所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，不同材料结合面为不规则接触面，采用熔融沉积挤出成型工艺制备变刚度吸声超材料，包括：s1:对声学超材料进行三维建模，在三维切片软件中进行组合切片，确定规划路径，不同材料结构相互不干扰；s2:选取熔点相近，且刚度满足设计需要的热塑性聚合物材料；s3:利用多喷头熔融沉积挤出机使用不同的喷头分别挤出不同材料，在不同材料结合面，适当更改打印g-code；s4:熔融沉积加工完成后，后处理的过程中制备内腔环境温度要求保持在低于柔性材料最低熔融点60-150℃，至少静置30分钟；s5:待样品缓慢降至室温后，将制备的结构从设备中取出，即得。
6.根据权利要求4所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，不同材料结合面为不规则接触面，采用光固化成型工艺制备变刚度吸声超材料，包括：s1:构建多材料三维模型，选择柔性光敏树脂中弹性模量不同的树脂，按照设计要求将不同树脂混合后制备；s2:在光固化成型过程中更换材料实现异质复合打印，使用清洗溶剂对更换材料前的被加工件表面进行清洗；s3:更换树脂材料后，将不同树脂结合面第一层的曝光固化时间延长2s-5s，确保不同刚度的树脂有较好的界面结合性能；s4:以此类推，自上而下依次完成不同材料的结构制备。7.根据权利要求6所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，光固化成型工艺制备变刚度吸声超材料，对于串联式变刚度吸声超材料的加工，通过对不同材料的位置高度标记，将不同的光敏树脂依次导入成型槽，实现串联式变刚度吸声超材料自下而上一体化制备。8.根据权利要求4所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，不同材料结合面构成连通的可浇筑腔体，可采用增材制造与倒模浇筑工艺制备变刚度吸声超材料，包括：对声学超材料结构不同材料的边界进行增材制造工艺制备，在获得结构边界轮廓后，将对应的材料采用倒模浇筑工艺浇筑在制备好的腔体中，待其固化。9.根据权利要求5所述的变刚度吸声超材料的制备方法，其特征在于，将不同材料的各个部分进行组合装配，不同部分组合结合面完全相互粘附，15-25℃下静置2-6h。10.一种权利要求1-9任一项所述方法制备的变刚度吸声超材料。
技术总结
本发明公开了一种变刚度吸声超材料及其制备方法，通过计算机构建吸声超材料的三维模型，以构成吸声超结构不同材料结合面为边界对三维模型进行分割，进行装配重组；选取不同刚度的材料，使用不同的加工工艺，对吸声超材料中不同材料的各部分分别加工；根据不同的工艺方法，将不同材料的各个部分进行组合装配，待不同部分组合结合面完全相互粘附成一个整体，充分时间静置后，得到变刚度吸声超材料。本发明采用多材料异质结合增材制造、倒模浇筑加工工艺，通过材料刚度的调节拓宽吸声频带，优化吸声效果，同时提高材料的利用率，大幅度减小超材料的厚度，满足了任意频段的吸声隔声材料的设计制造需求。的设计制造需求。的设计制造需求。
