《Process Safety and Environmental Protection》：Effect of high-temperature thermal aging on the composite noise-reduction material by experiments coupled with molecular dynamics
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摘要长期热暴露可能会损害用于声学罩的颗粒状降噪复合材料的多功能性能。一种富含 SiO?的复合材料在空气中于 85 和 120 °C 下老化长达 60 天。通过实验表征了微观结构、法向入射传递损失、热变形温度和表观弯曲强度，并通过分子动力学模拟分析了未老化和等效老化终点模型。6
摘要
长期热暴露可能会损害用于声学罩的颗粒状降噪复合材料的多功能性能。一种富含 SiO?的复合材料在空气中于 85 和 120 °C 下老化长达 60 天。通过实验表征了微观结构、法向入射传递损失、热变形温度和表观弯曲强度，并通过分子动力学模拟分析了未老化和等效老化终点模型。60 天后，在 85 和 120 °C 下，基于 SEM 的表观孔隙面积分数分别从 9.08% 增加到 10.16% 和 10.85%。在 63、125、250、500 和 1000?Hz 下的五频段平均传递损失仅下降了 3.0% 和 3.3%，表明声学隔声性能相对稳定。相比之下，热变形温度从 160 °C 降至 78 和 76 °C，表观弯曲强度从 12.3?MPa 降至 9.4 和 9.0?MPa。等效老化模型显示出自由体积分数和均方位移增加，同时玻璃化转变温度和内聚能密度降低，表明分子堆积更松散，链段约束和内聚相互作用更弱，分子流动性增强。这些结果表明，高温老化主要降低了抗热变形性能和机械完整性，而声学隔声性能保持相对稳定。
引言
特高压换流站和变电站中的大型充油设备会产生具有明显低频成分和长传播距离的连续宽带噪声。由于低频噪声穿透力强且衰减慢，因此特别难以控制（Piana and Roozen, 2020）。因此，声学罩及其功能材料对于限制此类设备的噪声传输至关重要。在长期服役过程中，这些材料必须不仅保持足够的隔音性能，还要保持结构完整性、抗热变形性和承载稳定性。因此，了解它们在高温下的降解情况对于可靠的噪声控制设计和运行至关重要。
声学控制系统通常将吸声层与罩体或屏障组件集成在一起。然而，它们的低频性能在很大程度上受材料厚度、孔隙形态和结构配置的支配。柔性微穿孔板可以通过腔体耦合增强低频响应（Lee et al., 2005）。双层微穿孔结构可以通过层间耦合拓宽有效频率范围（Sakagami et al., 2010），而蜂窝背衬结构提供额外的声学可调性（Toyoda et al., 2011）。对于罩体板和多层隔音结构，传递损失直接反映了它们抑制传输声能的能力。Salissou 和 Panneton (2009) 开发了一种波分解方法，用于在阻抗管中测量法向入射传递损失。Doutres 和 Atalla (2011) 随后应用该方法量化声学组件对罩体结构总传递损失的贡献。然而，之前的研究主要集中在声学材料和结构的初始优化上，而对于长期热暴露下隔音性能的保持情况了解不足。
本研究调查的复合材料由富含 SiO?的颗粒骨架、DOP 增塑剂、含有异氰酸酯和氨基甲酸酯相关结构的海化剂和基于聚酯多元醇的粘合剂组成。无机颗粒形成刚性框架和基本孔隙结构，而有机相和有机 - 无机界面控制颗粒间结合、局部柔顺性和载荷传递。在热氧化条件下，聚氨酯基材料可能会发生氧化、链断裂、交联和界面相互作用的变化（Xie et al., 2019）。Sandten 等人 (2024) 观察到聚醚基聚氨酯泡沫中的热氧化自动氧化和挥发性低分子量物种的形成。Gao 等人 (2022) 进一步报道，聚合物基复合材料的热氧化老化涉及基体降解和界面裂纹演化。这些变化可能会改变自由体积、孔隙连通性、界面结合和有效刚度，从而降低材料的声学、热学和力学性能。传统实验可以表征形态、化学环境和宏观性能，但不能直接解析链段流动性和分子间相互作用的变化。因此，分子模拟成为研究聚合物老化机制的重要工具（Zhang et al., 2023）。结合分子模拟与实验测量能够建立多组分复合材料中的宏观 - 微观关系（Li et al., 2024）。自由体积和内聚能密度可以进一步表征链堆积和非键相互作用（White and Lipson, 2014）。最近涉及分子动力学和数据驱动方法的多尺度研究提供了关于纳米颗粒分散（Liu et al., 2026）、聚合物阻尼（Tang et al., 2025）、界面增强（Li et al., 2025）和磨损行为（Yuan et al., 2025）的见解。
因此，在空气中于 85 和 120 °C 下进行了长达 60 天的加速热老化测试。这些温度分别代表中等和严重的热暴露条件。Tcharkhtchi 等人 (2014) 采用相同的温度水平研究聚氨酯老化，观察到后交联和链断裂竞争产生的阶段依赖性机械响应，为目前的老化条件提供了方法学基础。进行了 SEM 表征、法向入射传递损失测量、热变形温度测试和三点弯曲测试，以分别评估复合材料的微观结构、隔音性能、抗热变形性能和力学性能演化。同时，使用 LAMMPS 构建了未老化模型和对应于 120 °C 老化 60 天的等效终点模型。计算了自由体积分数、玻璃化转变温度、内聚能密度和均方位移，以提供对实验性能演化的定性分子尺度解释。
章节片段
材料与试样制备
调查的降噪材料是一种多组分颗粒复合材料，由硅砂、增塑剂、海化剂和粘合剂组成。配方相对于 100 份硅砂以质量份表示。具体而言，该复合材料包含 100 份 60–80 目硅砂、2.5 份邻苯二甲酸二辛酯 (DOP)、1.0 份海化剂和 3.5 份粘合剂。富含 SiO?的颗粒形成刚性颗粒骨架和多孔框架
微观结构演化
未老化和热老化试样的 SEM 图像，以及区分孔隙和固体基质区域的典型二值化图像如图 6 所示。按照第 2.3 节中描述的图像分析程序，对 PSEM 进行量化，其演化情况如图 7 所示。
如图 7 所示，在两个温度下，PSEM 通常随老化时间增加而增加。在 85 °C 下，它从未老化状态的 9.08% 增加到 60 天后的 10.16%，对应的相对增加为 11.89%。
结论
基于加速热老化实验和等效终点分子模拟，可以得出以下结论：
(1) 热老化逐渐改变了富含 SiO?颗粒复合材料的微观结构。60 天后，在 85 °C 下，基于 SEM 的表观孔隙面积分数从 9.08% 增加到 10.16%，在 120 °C 下增加到 10.85%。120 °C 下的较大增加表明在较高暴露温度下局部结构松弛的趋势更强。
CRediT 作者贡献声明
马建国：写作 - 初稿，方法论，调查。周婷婷：验证，软件。尚风举：写作 - 初稿，软件，资源。张嘉庆：监督，方法论，调查。王强：方法论，数据整理。丁岩明：写作 - 回顾与编辑，监督，资金获取。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。
致谢
本研究由中国国家电网安徽省电力公司科技项目（批准号：B3120524000V）资助。
尚风举 | 张嘉庆 | 马建国 | 周婷婷 | 王强 | 丁岩明
