多孔陶瓷的定义及种类

只要生活在人类社会中，就一定饱受过噪音的困扰，单纯马路边的隆轰轰声，就足以让人坐立难安，因此如果要改善生活和工作环境，必须要控制噪音水平，而最有用的手段之一，就是布置可吸收声音的物质，如最常用的多孔陶瓷材料。
一、多孔陶瓷材料的定义及吸声原理
多孔陶瓷材料是含有大量孔隙的材料，由连续的固体相和形成孔隙的流体相所组成。如图所示，其孔结构可以分为闭孔和开孔结构。可以看到，闭孔为固体相所包围，与外面流体介质无连通。
闭孔结构主要影响多孔材料的密度、强度和热导率等宏观性质，但是与外部流体介质的交换和吸收特性无关。开孔结构可以与外部流体介质相互连通，包括半开孔和通孔结构。开孔结构可以与外面流体介质连通和交换，主要影响过滤、催化和吸声等宏观性能。

多孔固体介质的孔结构示意图

按照惠更斯原理，当声音由空气中传入多孔材料时，微孔和间隙中的空气是声波传播的介质。当声波垂直入射到多孔材料表面时，一部分由材料表面反射，另外一部分则通过与外界相通的通孔透射到材料内部。进入材料内声波的振动引起通孔内空气的剧烈运动，使其与孔壁摩擦。在摩擦和黏滞力作用下，部分声能转化为热能，从而使声波衰减，使得反射声能减弱以达到吸声效果。另外，空气和孔壁与材料之间的热交换引起热量损失，也造成声能衰减。
因此若想得到高效的吸声效果，多孔吸声材料必须要具有开孔结构特征，而且孔隙率较大，使得声波易于进入并传播，通过粘滞效应和热效应机理耗散声波能量。
二、多孔陶瓷吸声材料的分类
近几十年，吸声材料的研究和应用逐渐增加，而且种类得到了很大的增长，下面按微观形态进行盘点。
从微观形态角度，传统多孔吸声材料可以划分为：纤维多孔材料、泡沫多孔材料和颗粒多孔材料。这三种多孔材料都具有相互连通的开孔结构，但是微观形态不同，分别为：平行开孔结构、立方体形开孔和颗粒堆积的开孔结构。孔形貌、孔结构因子和孔隙率的不同，都会导致吸声性能有很大差别。

三种多孔吸声材料结构示意图

①纤维多孔吸声材料
纤维多孔材料是商业应用最广泛的多孔吸声材料，由大量连续的纤维和纤维之间的空隙组成。在建筑等领域，典型的商业纤维多孔吸声材料为玻璃棉或岩棉，由于轻质、优异的吸声性能和防火特性，得到广泛的应用。但是，玻璃棉或岩棉在运输和使用过程中会产生飞尘污染，损伤人体健康，发展替代性的多孔吸声材料是一个趋势。
②泡沫多孔吸声材料
典型的泡沫多孔吸声材料包括聚氨酯泡沫、泡沫铝、多孔陶瓷和气凝胶，并且只有开孔结构才具有高效的吸声性能。
目前，聚氨酯泡沫是最常见的泡沫多孔吸声材料，广泛应用于建筑、汽车和飞机舱内的被动降噪，同时也有隔热和防腐用途。依据软链段和硬链段的比例，聚氨酯泡沫分为硬质泡沫和软质泡沫。硬质泡沫为轻质结构材料，用于航空夹层结构和雷达结构的核心材料等。软质泡沫的开发晚于硬质泡沫，具有吸声、高弹性和阻尼等特性。但同时它也存在耐燃性、耐温性差的缺陷，以及环保和力学性能的问题。
以泡沫铝为典型代表的泡沫金属，是相对较新的多孔材料，日本在1986年采用连续铸造工艺实现了泡沫铝的商业化生产，命名为“ALPORAS”，可能是目前孔结构均匀性最好的泡沫铝。泡沫金属具有轻质、高比刚度、高吸能、耐高温、阻燃和低吸潮特性，但是昂贵的价格和制备工艺不成熟是限制其发展的因素。

泡沫铝形貌

多孔陶瓷是优异的耐高温吸声材料，可以在1500℃以上长期使用，而且在高声压级、高速环境下性能稳定，主要应用于航天、火箭喷嘴组件、隔热层，有潜力成为发动机燃烧室的声线。
气凝胶是一种具有纳米级开孔的超轻（约0.003g/cm3）多孔材料，通过超临界干燥工艺除去凝胶液体形成，为目前最优的隔热材料，其中最典型的气凝胶为二氧化硅气凝胶，孔隙率可达75%以上，熔点可达1200℃。但是，昂贵的价格成为限制气凝胶广泛应用的一个问题，目前主要在航天等高技术领域应用。

二氧化硅气凝胶

③颗粒多孔吸陶瓷声材料
颗粒多孔材料是由宏观颗粒堆积或连接形成的聚集体，颗粒之间的空隙可以形成开孔结构。颗粒多孔材料的范围非常广泛，可以是自然形成的，如土壤、砂石和积雪等，也可以是人工制备的，如回收的橡胶颗粒、珍珠岩和多孔的沥青混凝土路面等，它们在户外环境降噪中发挥重要作用。
资料来源：
陶聪空心球多孔材料吸声结构设计与声学机理研究，李瑞锋。
分层多孔材料吸声结构的性能分析，刘新金，刘建立，徐伯俊，高卫东。