具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构及制备方法

1.本发明涉及一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构及制备方法，属于吸声降噪技术领域。


背景技术：

2.随着社会的飞速发展，噪声污染已经成为与空气污染、水污染和光污染并列的重大污染问题之一。人们长时间暴露在高噪声环境中会产生耳鸣、头痛、记忆力衰退等神经衰弱症状，严重的还会损伤人体心血管、笑话系统等正常机能，诱发疾病。不仅如此，长时间的强噪声会导致火箭、航天器等机械结构产生声疲劳线性，降低结构寿命。随着轻量化设备的不断发展，为降低噪声的危害，对轻量化、低成本、高吸声以及高力学性能的新型吸声材料有着更加迫切的需求。
3.目前，绝大多数吸声材料为多孔材料，包括泡沫金属、发泡聚氨酯以及天然纤维材料等。这类材料的吸声的原理在于通过空气与材料孔隙壁面的摩擦将动能转化为热能耗散掉。多孔材料的吸声性能与其微结构形貌息息相关，而这种孔隙受到制备工艺的限制，无法精确控制。另外，无需多孔材料在制备过程中残留缺陷较多，力学性能受损，无法作为多功能承载结构。综上所述，传统的多孔材料已不能满足高端装备的噪声控制需求，亟需一种具有承载吸声多功能轻量化结构。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构及制备方法，通过结构的合理设计实现螺旋缝与纸张孔隙之间的相互配合，实现了纸张的高性能吸声，解决了承载吸声多功能一体化以及轻量化设计的难题。
5.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
6.一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，包括宽纸条和窄纸条，宽纸条和窄纸条相互叠加卷曲成若干层并呈螺旋状卷曲，相邻宽纸条和窄纸条之间形成空气狭缝。
7.上述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构基础上，宽纸条和窄纸条为宣纸、办公用纸或牛皮纸，厚度为0.05～0.5mm。
8.上述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构基础上，宽陶瓷纤维纸条的宽度为10～100mm。
9.上述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构基础上，窄纸条的宽度为1～10mm。
10.上述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构基础上，其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。
11.上述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构基础上，宽纸条和窄纸条密度为0.323-0.717g/cm3。
12.一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构制备方法，包括以下步骤：
13.(1)将纸张裁剪为宽纸条和窄纸条两种纸条；
14.(2)将窄纸条贴在宽纸条底部形成一边厚一边薄的纸条；
15.(3)从一端开始，进行卷曲，宽纸条底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，由宽窄两种纸条交叉镶嵌卷曲而成。由于宽窄两种纸条底部相连，故在上层的每两层卷纸之间形成狭缝，狭缝的尺寸与底部纸的宽度相当。当空气通过狭缝时，由于空气与缝壁面的摩擦将声波能量转化为热量。另一方面，由于纸本身就是一种多孔材料，除内部声波的震荡吸收一部分声波能量以外，缝中空气的震荡会因此而变得更加剧烈，即缝中的粘性效应得到增强。力学方面由于多层纸相互嵌套，内外圆筒的屈曲压溃会受到相邻圆管的约束，从而力学性能得到增强。进一步的，该结构由纸构成，纸的密度较低，相对于铝等金属材料而言具有非常好的轻量化特性。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
19.图1为本发明承载吸声多功能轻量化的卷纸结构的示意图；
20.图2为单个元胞剖面图；
21.图3为制备过程图；
22.图4为三种不同卷曲形状图，其中，(a)三角形卷曲，(b)为正方形卷曲，(c)为花瓣形卷曲；
23.图5为本发明承载吸声多功能轻量化的卷纸结构三个实施例的吸声系数示意图；
24.图6为本发明承载吸声多功能轻量化的卷纸结构三个实施例的准静态压缩曲线示意图；
25.其中：1.宽纸带；2.窄纸带。
具体实施方式
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示
出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
29.本发明提供了一种承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，采用平常生活中常见的纸张，经过裁剪和卷曲的方式，构造卷曲纸张之间一定的缝隙。缝隙的存在有利于声波进入结构中，通过纸表面与空气的摩擦吸收大部分声波能量。相比于紧密卷曲纸张结构，吸声性能得到了大幅度的提升，在很宽的频带范围内实现吸声系数大于0.8。并且所形成的结构具有非常优异的力学承载能力。
30.请参阅图1和图2，一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，包括宽纸条1和窄纸条2，宽纸条1和窄纸条2相互叠加卷曲成若干层并呈螺旋状卷曲，相邻宽纸条1和窄纸条2之间形成空气狭缝。
31.参考图3，一,具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构制备方法，包括以下步骤：
32.(1)将纸张裁剪为宽纸条1和窄纸条2两种纸条；
33.(2)将窄纸条2贴在宽纸条1底部形成一边厚一边薄的纸条；
34.(3)从一端开始，进行卷曲，宽纸条1底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构。
35.本发明结构的卷曲形状与加工方式有关，通过不断地折叠以及弯曲等方式，可以根据不同的工程需求，制备不同形状的结构，以适应不同应用场景，尤其是汽车，火车等交通工具内部不规则的空间。如图4所示其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。
36.实施例1
37.本实施例中，宽纸条1和窄纸条2为宣纸，密度为0.323g/cm3，宽纸条高度为50mm，窄纸条宽度为10mm。
38.实施例2
39.本实施例中，宽纸条1和窄纸条2为办公用a4纸，密度为0.646g/cm3，宽纸条高度为50mm，窄纸条宽度为10mm。
40.实施例3
41.本实施例中，宽纸条1和窄纸条2为牛皮纸，密度为0.717g/cm3，宽纸条高度为50mm，窄纸条宽度为10mm。
42.对照例为与实施例等厚度的均匀无狭缝卷纸结构。为了保证对照的客观性，纸张与实施例为同一批产品。
43.采用以上材料和结构尺寸进行制备和声学试验测试，给出了实施例和对比例的吸声系数对比如下：
44.测试0～6400hz之间实施结构以及均匀无狭缝卷纸对照组的吸声系数。
45.请参阅图5(a-c)，其中黑色实线表示等厚度无狭缝卷纸结构的吸声系数，黑色虚线表示带缝隙卷纸结构的吸声系数。从图中可以看出，相对于等厚度无狭缝卷纸结构，本发明所提出的吸声结构在0～6400hz内都有大幅度的提升。具体表现如下：
46.实施例1中宣纸带缝隙卷纸结构的吸声系数在750～6400hz时均达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.91。无狭缝卷纸结构的平均吸声系数为0.4。
47.实施例2中办公用a4纸带缝隙卷纸结构的吸声系数在800～6400hz时均达到0.8以
上，整体平均吸声系数为0.89。无狭缝卷纸结构的平均吸声系数为0.17。
48.实施例3中牛皮纸带缝隙卷纸结构的吸声系数在800～2500hz以及3100～6400hz时均达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.8。无狭缝卷纸结构的平均吸声系数为0.25。
49.结果表明，对于不同种类的纸张，均可实现宽频范围内的吸声性能的大幅度提升。其中，以实施例1宣纸的吸声带宽最宽，平均吸声系数最好。
50.采用以上材料和结构尺寸进行制备和准静态压缩试验测试，给出了三种实施例的应力-位移曲线，对比如下：
51.请参阅图5(a-c)，其中黑色点线表示实施例1的准静态压缩曲线，黑色虚线表示实施例2的准静态压缩曲线，黑色实线表示实施例3的准静态压缩曲线。其中，宣纸的压缩强度为0.5mpa。a4纸的压缩强度1.8mpa，牛皮纸的压缩强度5.2mpa。是一种良好的承载材料。
52.根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果如下：
53.1、本发明的试验测试结果在750～6400hz吸声系数均在0.8以上，平均吸声系数达0.85以上，满足宽频段内有效吸声的要求；
54.2、本发明提出结构使用的材料为纸张，价格低廉，材料易得；
55.3、本发明提出吸声结构简单，加工方便；
56.4、本发明提出吸声结构压缩强度相较于常规吸声材料具有很大优势；
57.5、通过改变卷纸结构参数以及纸张种类可以改变整体结构的力学和声学性能，适应不同场合下的要求。
58.综上所述，本发明一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构中狭缝的存在可以很大程度提高纸的吸声性能。在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及纸张类型，可根据实际工况需求进行相应调节。结构简单，易于制造。
59.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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：
1.一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，其特征在于：包括宽纸条(1)和窄纸条(2)，宽纸条(1)和窄纸条(2)相互叠加卷曲成若干层并呈螺旋状卷曲，相邻宽纸条(1)和窄纸条(2)之间形成空气狭缝。2.根据权利要求1所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，其特征在于：宽纸条(1)和窄纸条(2)为宣纸、办公用纸或牛皮纸，厚度为0.05～0.5mm。3.根据权利要求1所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，其特征在于：宽陶瓷纤维纸条(1)的宽度为10～100mm。4.根据权利要求1所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，其特征在于：窄纸条(2)的宽度为1～10mm。5.根据权利要求1所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，其特征在于：其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。6.根据权利要求1所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，其特征在于：宽纸条(1)和窄纸条(2)密度为0.323-0.717g/cm3。7.一种权利要求1至6任一项所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纸张裁剪为宽纸条(1)和窄纸条(2)两种纸条；(2)将窄纸条(2)贴在宽纸条(1)底部形成一边厚一边薄的纸条；(3)从一端开始，进行卷曲，宽纸条(1)底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构。

技术总结
本发明提供了一种具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构及制备方法，通过结构的合理设计实现螺旋缝与纸张孔隙之间的相互配合，实现了纸张的高性能吸声，解决了承载吸声多功能一体化以及轻量化设计的难题。具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构，包括宽纸条和窄纸条，宽纸条和窄纸条相互叠加卷曲成若干层并呈螺旋状卷曲，相邻宽纸条和窄纸条之间形成空气狭缝。具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构制备方法，包括以下步骤：将纸张裁剪为宽纸条和窄纸条两种纸条；将窄纸条贴在宽纸条底部形成一边厚一边薄的纸条；从一端开始，进行卷曲，宽纸条底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有承载吸声多功能轻量化的卷纸结构。声多功能轻量化的卷纸结构。声多功能轻量化的卷纸结构。


技术研发人员：卢天健 陈昕 李墨筱 段明宇 沈承 于晨磊 赵龙武 耿振鑫 王新 田玉前 杨玲 贾祥省 孙庆玉 夏迎安 夏江丽 彭博
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25