利用DLP光固化3D打印技术，研究基于煤基固体废物的微孔金刚石夹层结构的吸音性能

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Research on the sound absorption performance of micro-perforated Diamond sandwich structure from coal-based solid waste by DLP light-curing 3D printing

煤基固体废物玻璃粉末通过DLP光固化3D打印制备三周期极小表面微穿孔板菱形夹层结构，系统研究厚度、层数、孔率及发泡剂对吸声性能影响，发现厚度增加和层数增多提升吸声系数但窄化带宽，NH4HCO3发泡剂优化微孔结构，多层组合实现宽带吸声。该技术实现固体废物高值化利用，开发出环保轻质宽带吸声结构。

　　

刘润泽|李志川|朱昌|赵梦端|郭毅|王树明

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京100083

摘要

为了提高煤基固体废物（CBSW）的资源利用率，并开发轻质、高效的吸音结构，本研究利用DLP光固化3D打印技术，从CBSW玻璃粉制备了三周期最小表面（TPMS）微孔面板Diamond夹层结构（MPP-DSS）。基于声力类比原理，研究了面板厚度、蜂窝层数、孔隙率、成孔剂类型以及多层组合对吸音性能的影响。结果表明，增加面板厚度和蜂窝层数会使吸音峰值向低频方向移动，并提高吸音系数（α），但会缩小相对带宽；降低孔隙率也会使吸音峰值向低频方向移动并缩小带宽；使用NH?HCO?作为成孔剂可以形成大量微孔，通过多孔吸音机制进一步增强吸音性能。此外，将不同芯层的结构串联组合可以形成多级亥姆霍兹共振器，实现比单一结构更宽的宽带吸音效果。这项工作实现了CBSW的高值回收，并促进了可定制、轻质、宽带和环保吸音结构的设计。

引言

噪音污染已成为继空气污染和水污染之后对人类健康的第三大威胁。由于现代工业、交通网络和城市发展的迅速扩张，这一问题日益严重[1]、[2]。噪音污染不仅影响人们的工作、学习和休息，还危害身心健康。噪音会导致耳朵不适，干扰休息和睡眠，在严重情况下甚至会损害心血管健康，引发神经系统疾病和心理障碍。因此，噪音控制是亟需关注的问题[3]、[4]、[5]、[6]。

抑制噪音的主要有效手段是使用吸音材料和吸音结构[7]、[8]。常用的吸音材料主要包括岩棉、玻璃棉等。虽然这些材料具有一定的吸音性能，但暴露在潮湿环境中时其吸音性能会显著下降。它们相对较脆，容易破裂，还会产生粉尘，对人类健康和环境造成严重威胁，应用范围受到很大限制。为克服上述缺点，著名科学家马大猷院士提出了微孔面板（MPP）吸音理论。他创造性地提出在薄面板上钻出微小孔洞，并通过面板上的微孔与背后的空腔形成共振系统，利用空气在微孔中的摩擦和热效应来耗散声能，从而实现无需纤维材料的纯结构吸音器[9]、[10]、[11]、[12]。因此，近年来开展了大量相关研究。李等人[13]提出了一种带有内部穿孔隔板的非均匀MPP吸音和降噪结构，通过调整隔板的声阻抗实现了宽带吸音功能，以适应变化的噪音环境。孟等人[14]提出了一种波纹夹层板，并通过实验验证了有限元计算的有效性。与传统固体设计相比，穿孔波纹夹层结构在低频吸音方面有所提升。盖等人[15]提出了一种蜂窝状层压声学超材料，结合了蜂窝结构、亥姆霍兹共振和声学超材料概念，利用其轻质特性和亥姆霍兹共振机制实现了优异的吸音效果。康等人[16]制备了一种采用蜂窝和波纹复合材料的多功能复合芯材用于全金属夹层结构。与相同质量的蜂窝或波纹夹层结构相比，不仅刚度和强度显著提高，吸音性能（SAP）也得到了显著提升。

夹层结构是MPP能量和SAP的核心。常见的夹层结构类型包括蜂窝夹层和波纹夹层等。然而，这种结构的内部空腔形态相对均匀且固定，难以灵活精确地控制声波传播路径和共振模式，这在一定程度上限制了其吸音性能的进一步优化。为克服这一限制，研究人员转向了具有三维拓扑结构的TPMS结构，这些结构能够调节声波，有效散射、吸收和反射声波[17]、[18]、[19]、[20]。赵等人[21]利用有限元方法设计并分析了基于P型几何形状的功能梯度螺旋晶格结构的声学性能，结果表明该P型结构在1000至6300 Hz频率范围内的α值高于传统结构。李等人[22]基于微板理论建立了TMPS夹层结构的振动声学模型，并通过电声类比研究了其吸音性能，发现该微结构实现了优异的SAP，最大α值超过0.8。张等人[23]使用阻抗管研究了MPP-DSS的低频吸音性能，在相同结构参数下，MPP-DSS的α值和带宽均优于传统多孔板结构。

学者们也通过打印方法制备了一些吸音结构，但所使用的原材料价格昂贵（球形金属粉末），且会造成严重的环境污染（聚合物材料），设备成本高、操作复杂且存在安全隐患（打印过程需要惰性气体保护，金属粉末易爆炸）。同时，打印出的样品质量较差，表面粗糙不均匀，容易腐蚀生锈，耐酸碱性能差，最重要的是无法实现夹层结构的整体成型，需要单独组装多个组件（需要在面板上钻孔并将芯层粘合在一起），且吸音系数仍有进一步提升的空间。

另一方面，作为煤炭的主要消费国，中国每年产生数十亿吨CBSW，如煤矸石和粉煤灰。这些废物的大规模堆积不仅占用土地，还对生态环境和人们的身心健康构成严重威胁[24]、[25]、[26]。此外，这些CBSW的化学成分（CaO、MgO、Al?O?、SiO?）与制备玻璃陶瓷的原材料非常相似，因为玻璃陶瓷是一种包含微晶相和玻璃相的多相固体，具有密度低（小于3 g/cm3）、机械强度高、耐腐蚀、耐酸碱、热稳定性好以及能够固定重金属离子等优点[27]、[28]、[29]。因此，利用这些CBSW生产玻璃陶瓷是一种有效且高价值的处理方式。此外，制备的玻璃陶瓷性能稳定，使用寿命长，制备过程简单且不会造成二次污染。同时，由于其极长的使用寿命和可回收性，玻璃陶瓷具有无可比拟的优势。废弃的玻璃陶瓷本身无毒无害，不含任何有机挥发物，是一种理想的二次原料来源，可用作骨料和其他建筑材料的原料。由此，CBSW实现了真正的可持续回收和再利用。

为解决上述问题，本文首次提出使用低成本的CBSW作为原材料，并利用操作简便、精度高、效率高的DLP光固化3D打印设备成功制备了集成化、轻质、高强度的MPP-DSS。通过声力类比分析，系统研究了面板厚度、蜂窝层数、孔隙率和成孔剂对MPP-DSS吸音性能的影响。创新性地以不同方式组合MPP-DSS，并系统研究了多层MPP-DSS组合对吸音性能的影响。这项研究不仅为TPMS结构在噪音控制领域的应用提供了理论基础，也为CBSW的高值利用开辟了新途径，旨在开发一种既环保（适用于固体废物处理）又具有优异吸音性能的TPMS微孔夹层结构。

实验部分

浆料制备

实验所需的原材料：CBSW玻璃粉（实验室自制），本研究中使用的CBSW玻璃粉采用我们之前工作中系统描述的方法制备[30]、[31]，并添加了2%浓度的KH570改性后即可使用。其主要特性如下表1所示。苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰）磷氧化物（光引发剂，上海麦克莱恩生化技术有限公司）；1，

面板厚度对MPP-DSS吸音性能的影响

图5显示了不同面板厚度的MPP-DSS的α值。定义吸音带宽的方法是选取α值为0.5作为有效吸音带宽的界限[32]、[33]、[34]。当面板厚度分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm时，吸音峰值分别为1909.82 Hz、1682.73 Hz、1294.14 Hz、1261.66 Hz和1032.30 Hz，最大α值分别为0.87、0.88、0.90，

结论

本文以CBSW玻璃粉为原料，设计并制备了MPP-DSS。系统研究了面板厚度、Diamond层数和孔隙率对MPP-DSS吸音性能的影响，还研究了不同成孔剂组合对MPP-DSS吸音性能的影响，得出以下结论：

1.

声力类比分析表明，增加面板厚度将提高吸音性能

作者贡献声明

刘润泽：撰写——初稿撰写、软件开发、方法论设计、数据整理。李志川：指导、方法论设计。朱昌：指导、方法论设计。赵梦端：指导、方法论设计。郭毅：指导、方法论设计。王树明：撰写——审稿与编辑、软件开发、资源获取、方法论设计、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：51172016）对本项目的财务支持。