一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板及柔性微孔吸声膜的制作方法

摘要

本发明涉及一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板及柔性微孔吸声膜的制作方法，与现有技术相比解决了难以制作出符合声学降噪要求的柔性微孔吸声膜的缺陷。本发明包括上模板，上模板上设有圆孔阵列，圆孔阵列包括若干个圆孔，上模板铰接在下模板上，当上模板压在下模板上时，圆柱阵列插在圆孔阵列内；所述圆柱体的直径为10微米‑500微米，圆柱体的高度为60微米‑3.01毫米，所述圆孔的直径大于圆柱体的直径，圆孔的深度大于圆柱体的高度。本发明针对柔性微孔吸声膜制作的复杂性，提出了一种切实可行又经济环保的制作方法和加工装置，能够满足不同形状设备的降噪需求。

说明书

技术领域

本发明涉及减振降噪技术领域，具体来说是一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板及柔性微孔吸声膜的制作方法。

背景技术

由马大猷教授提出微穿孔板吸声体是一种重要的吸声材料，降噪效果优良，具有防潮、耐高温、无污染、能承受高速气流冲击等优点，现已经被广泛应用于噪声控制的各个领域，被誉为21世纪最有潜力的绿色吸声结构。

微穿孔板吸声体是微穿孔板和板后空腔复合形成的共振吸声结构，其中最主要的组成部分是微穿孔板，即在板面上设有大量微孔的薄板。其吸声机理是，大量微孔与薄板后面的空腔组成共振吸声结构，当声波穿过有大量微孔的薄板时，微孔中空气分子与微孔内壁表面的相对运动和摩擦使声能量转换成热能而被耗散，起到吸声降噪的效果。

现有的微穿孔板基本上是采用传统的机械冲孔技术来加工微孔，孔径一般在0.2-1.0mm。由于孔径较大，因此吸声带宽相对较窄，通常只有1-2个倍频程，并且单层微穿孔板吸声体只有一个共振峰，难以进一步提高。根据微穿孔板理论，减小微穿孔板的孔径，并适当增加穿孔密度，可在保持较高吸声系数的同时拓宽吸声频带。计算结果表明，当孔径减小到0.1mm（即100um）时，取中心共振频率1000Hz，以吸声系数0.5作为底线，则单层微穿孔板吸声体的倍频程能达到2.5。继续减小孔径至100um以下，还能进一步拓宽吸声频带，甚至达到其吸声带宽极限，不过这需要达到每平米百万以上的穿孔密度，使用机械冲孔技术显然很难实现。

此外，目前大多数微穿孔板都是刚性材料，不易变形。随着实际应用的需要，越来越多的场合开始采用轻质薄型的微穿孔板吸声体，如塑料板、胶合板、有机玻璃等，以及在建筑上使用的能够采光的透明材料，但是用这些材料加工的微穿孔板缺乏柔性，变形量不大，不太适合用于发动机等一些具有特殊外形的噪声源降噪。也有研究者使用机械冲压和纺织工业中简化穿孔技术等加工穿孔薄膜，但是其加工孔径比较大，精度不高，使用材料有限，不易批量加工生产。

在生物医学研究领域，如专利名称为微孔阵列制品及使用方法（CN102665916A，20120912）的技术方案，其采用模板压印法制作柔性微孔膜片的方法，用表面具有多个突起的模板，将可流动的树脂组合物施加到模板上，固化后从所述工具移除，最终制成柔性微孔阵列。

在声学研究领域中，再如专利名称为柔性超微孔宽频带微穿孔板的制作方法（申请号：201310301581.8）的专利文件，其采用微机械加工方法制作模板，模板表面有多个圆柱阵列，将液态聚合物材料施加到模板上，固化后从所述模板上移除，得到柔性微穿孔板。

不过以上这些方法都是采用单个模板，其表面也没有制作防粘附涂层，其缺点是：当用于加工柔性超微孔微穿孔板时，因孔径很小，在100微米以下，为了取得较好的降噪效果，需要将穿孔密度增加到每平米百万孔数以上，并且微穿孔板厚度要达到0.1mm以上，模板中相应的圆柱阵列密度也要达到每平米超过一百万个圆柱，圆柱高度也要超过0.1mm，因此当液态聚合物材料沉积在模板上并固化后，两者之间因接触面积大而导致粘附力极大，导致柔性膜片很难从模板上剥离脱附，或者剥离后造成柔性膜片和模板损坏。此外，采用单模板法制作的柔性膜片穿孔率不高，很多微孔没有穿透，少量穿透的微孔孔型不够规则和完整，降噪效果差。因此单模板法不能很好的实际应用于声学领域制作柔性微孔吸声膜及其吸声体。

如何针对声学领域中所需要的柔性微孔膜片的特性，研究出一种柔性微孔吸声膜的制作工具和制作方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中难以制作出符合声学降噪要求的柔性微孔吸声膜的缺陷，提供一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板及柔性微孔吸声膜的制作方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板，包括下模板，所述的下模板上设有圆柱阵列，圆柱阵列包括若干个圆柱体，

还包括上模板，上模板上设有圆孔阵列，圆孔阵列包括若干个圆孔，上模板铰接在下模板上，当上模板压在下模板上时，圆柱阵列插在圆孔阵列内；所述圆柱体的直径为10微米-500微米，圆柱体的高度为60微米-3.01毫米，所述圆孔的直径大于圆柱体的直径，圆孔的深度大于圆柱体的高度。

所述的圆柱阵列在下模板上的分布密度为10⁴-10⁷个/平方米。

所述的下模板上设有支撑台，支撑台位于圆柱阵列旁，支撑台的高度为50微米-3毫米。

还包括增高座，增高座安装在下模板的侧部，增高座的上部安装有铰接座，铰接座至下模板上表面的垂直高度为50微米-3毫米，上模板侧部安装有铰接块，铰接块通过螺钉安装在铰接座上。

柔性微孔吸声膜的制作方法，包括以下步骤：

上模板的制作，使用微机械加工技术对上模板进行制作，所述的微机械加工技术包括微电子机械方法、X光同步辐射光刻电铸制模方法、准LIGA加工方法、激光加工方法和电火花加工方法；

下模板的制作，使用微机械加工技术对下模板进行制作；

利用上模板和下模板制作柔性微孔吸声膜，将上模板和下模板铰接安装在一起，制作柔性微孔吸声膜。

所述的下模板的制作使用微电子机械方法，其包括以下步骤：

选用直径3英寸、晶向为100、厚度为500微米的单晶抛光硅片，对单晶抛光硅片进行化学清洗，再进行干燥处理；

在单晶抛光硅片的抛光面上依次生长沉积600纳米厚的二氧化硅薄膜和200纳米厚的金属铝薄膜；

在金属铝薄膜上涂上一层厚度为2微米的光刻胶；

进行正面光刻板掩膜曝光；

进行显影、定影；

正面铝的腐蚀窗口打开；

正面二氧化硅的腐蚀窗口打开；

腐蚀去除正面光刻胶；

采用感应耦合等离子体深刻蚀工艺来刻蚀腐蚀窗口处的硅至设计的深度，刻蚀无金属铝掩膜图形和二氧化硅掩膜图形保护区域的单晶硅，直至所需的深度以得到符合设计的硅圆柱阵列；

去除正面金属铝掩膜层；

去除正面二氧化硅掩膜层；

在下模板的上表面和圆柱体外表面均制作一层防粘附涂层材料的涂层。

所述的上模板的制作使用激光加工方法，其包括以下步骤：

选择3英寸不锈钢作为待加工成穿孔的模板材料，将其固定在可在水平面内进行两维移动的平台上；

将脉冲式激光器固定在模板材料的正上方，调整激光器，使其发射的激光束与模板材料垂直；

打开激光器，同时在软件控制下，在水平面内移动平台，使激光束直接对模板材料的部分区域按各圆孔之间的距离间隔设定平台移动距离间隔，按激光束烧蚀速率及所需烧蚀高度设定烧蚀时间进行烧蚀，直至加工出由不锈钢模板材料构成的已穿孔的上模板；

在上模板的下表面和圆孔的内壁制作一层防粘附涂层材料的涂层。

所述的利用上模板和下模板制作柔性微孔吸声膜包括以下步骤：

将上模板和下模板铰接安装在一起；

将液态的柔性聚合物材料使用旋涂或浇铸工艺均匀沉积在下模板上；

将上模板压在下模板上，使得圆柱阵列插在圆孔阵列内；

对沉积在上模板表面和下模板表面之间的聚合物材料进行固化处理；

待聚合物材料固化后，打开上模板，脱去下模板，获得该柔性聚合物材料制成的柔性超微孔吸声膜。

所述的防粘附涂层材料的涂层采用射频溅射、喷涂或浸润工艺制作，防粘附涂层材料的涂层厚度为100纳米-10微米。

所述的柔性聚合物材料为聚氨酯、聚酰亚胺、硅胶、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、定向聚丙烯薄膜、双向拉伸聚丙烯薄膜、流延聚丙烯薄膜或聚丙烯酸类塑料。

有益效果

本发明的一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板及柔性微孔吸声膜的制作方法，与现有技术相比针对柔性微孔吸声膜制作的复杂性，提出了一种切实可行又经济环保的制作方法和加工装置，能够满足不同形状设备的降噪需求。

本发明克服了现有技术中孔径大、吸声带宽较窄、吸声性能差的缺点，实现了批量化生产、加工速度快、成本低，而且加工精度高，孔径的一致性好，结构紧凑，体积小。还可以根据使用需要，灵活地将多个圆柱阵列模板拼接成更大的模板，用于制作更大尺寸的柔性微穿孔板。本发明给出了结构参数的取值范围，对实际应用中具体结构的尺寸选择具有指导意义，得到的微孔孔径能够低至数十微米，吸声频带宽，具有经济意义。

本发明提出的柔性微孔吸声膜的制作方法，其制作方法简便，而且微穿孔吸声膜本身具有很大的柔性，也可以组合成柔性微穿孔板吸声体，能够通过大曲率变形来高度适应目标噪声源（如各类发动机等）的外部形状，对其进行“贴身式”降噪。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中下模板的结构示意图；

图3为本发明中上模板的结构示意图；

图4为本发明中铰接座与铰接块的安装结构示意图；

图5为本发明使用状态的结构示意图；

图6为本发明制作出的柔性微孔吸声膜的结构示意图；

其中，1-上模板、2-下模板、3-圆孔阵列、4-圆柱阵列、5-圆孔、6-圆柱体、7-支撑台、8-增高座、9-铰接座、10-铰接块。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板，包括上模板1。如图2所示，下模板2为现有技术中使用的单模板制作方法，其存在成孔率低，制作过程易粘连的问题。下模板2上设有圆柱阵列4，圆柱阵列4为多个圆柱体6组成的阵列集合。

如图3所示，上模板1用于配合下模板2使用，上模板1铰接在下模板2上。上模板1上设有圆孔阵列3，圆孔阵列3为由多个圆孔5组成的阵列集合。当上模板1压在下模板2上时，圆柱阵列4插在圆孔阵列3内，即为柔性微孔吸声膜的制作过程，通过多个圆柱体6插在多个圆孔5内，形成微孔结构。由于在声学领域中所使用的柔性微孔吸声膜的孔径很小，在100微米以下，因此针对圆柱体6的尺寸要进行特殊设计，圆柱体6的直径为10微米-500微米，圆柱体6的高度为60微米-3.01毫米。为了能够将圆柱阵列4较好地插在圆孔阵列3内，圆孔5的直径略大于圆柱体6的直径，圆孔5的深度略大于圆柱体6的高度。

为了取得较好的降噪效果，需要将柔性微孔吸声膜的穿孔密度增加到每平米百万孔数以上，并且微穿孔板厚度要达到0.1mm以上。因此，圆柱阵列4在下模板2上的分布密度可以为10⁴>7个/平方米，使得下模板2中相应的圆柱阵列4的密度达到每平米超过一百万个圆柱体6。同时，还可以在下模板2上设有支撑台7，支撑台7位于圆柱阵列4旁，最好可以设2个，2个支撑台7基于圆柱阵列4呈镜像对应。支撑台7的高度可以为50微米-3毫米，这样在上模板1下压下模板2时，上模板1和下模板2之间产生50微米-3毫米的间隙，则可以将柔性微孔吸声膜的厚度控制在50微米-3毫米的范围内，从而根据对降噪效果的设计要求，满足不同厚度柔性微孔吸声膜的制作需要。

由于有了支撑台7的设计，为了实现上模板1下压下模板2过程中圆柱阵列4很好插在圆孔阵列3内，还可以包括增高座8的设计。如图4和图5所示，增高座8安装在下模板2的侧部，增高座8的上部安装有铰接座9，铰接座9至下模板2上表面的垂直高度为50微米-3毫米，给支撑台7的50微米-3毫米的高度设计提供冗余空间，并且使得制作出来的柔性微孔薄膜厚度均匀。上模板1侧部安装有铰接块10，铰接块10通过螺钉安装在铰接座9上。

在此，还提供利用本发明所述的用于制作柔性微孔吸声膜的加工模板进行柔性微孔吸声膜制作的方法，包括以下步骤：

第一步，下模板2的制作。使用微机械加工技术对下模板2进行制作，所述的微机械加工技术包括微电子机械方法、X光同步辐射光刻电铸制模方法、准LIGA加工方法、激光加工方法和电火花加工方法。在此在使用微电子机械方法为例来阐述下模板的制作，其具体包括以下步骤：

（1）选用直径3英寸、晶向为100、厚度为500微米的单晶抛光硅片，对单晶抛光硅片进行化学清洗，再进行干燥处理。

（2）在单晶抛光硅片的抛光面上依次生长沉积600纳米厚的二氧化硅薄膜和200纳米厚的金属铝薄膜。

（3）在金属铝薄膜上涂上一层厚度为2微米的光刻胶（正胶）。

（4）进行正面光刻板掩膜曝光。

（5）进行显影、定影。

（6）正面铝的腐蚀窗口打开。

（7）正面二氧化硅的腐蚀窗口打开。

（8）腐蚀去除正面光刻胶。

（9）采用感应耦合等离子体深刻蚀工艺来刻蚀腐蚀窗口处的硅至设计的深度，刻蚀无金属铝掩膜图形和二氧化硅掩膜图形保护区域的单晶硅，直至所需的深度以得到符合设计的硅圆柱阵列。

（10）去除正面金属铝掩膜层。

（11）去除正面二氧化硅掩膜层。

（12）在下模板2的上表面和圆柱体6外表面均制作一层防粘附涂层材料的涂层。在此，由于液态聚合物材料沉积并固化后，液态聚合物材料与上模板1或下模板2之间因接触面积大而导致粘附力极大，柔性膜片很难从上模板1或下模板2剥离脱附，或者剥离后造成柔性微孔吸声膜的损坏。如果不对下模板2和上模板1进行预处理，极易造成柔性的聚合物材料脱模后破损，甚至难以脱模，为了防止接触面积大而导致的粘附力很大，因此需要对下模板2的上表面和圆柱体6外表面均制作一层防粘附涂层材料的涂层。防粘附涂层材料的涂层可以采用射频溅射、喷涂或浸润工艺制作，目的是降低其粘附性，以便于柔性的聚合物材料从下模板2上脱模。防粘附涂层材料的涂层厚度为100纳米-10微米，防粘附涂层材料可以选用聚四氟乙烯（PTFE）、聚全氟乙丙烯（FEP）、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物（PFA）、乙烯-三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、硅氧烷。

第二步，上模板1的制作，使用微机械加工技术对上模板1进行制作。在此以使用激光加工方法对上模板1进行制作为例进行阐述，其包括以下步骤：

（1）选择3英寸不锈钢作为待加工成穿孔的模板材料，将其固定在可在水平面内进行两维移动的平台上。

（2）将脉冲式激光器固定在模板材料的正上方，调整激光器，使其发射的激光束与模板材料垂直。

（3）打开激光器，同时在软件控制下，在水平面内移动平台，使激光束直接对模板材料的部分区域按各圆孔之间的距离间隔设定平台移动距离间隔，按激光束烧蚀速率及所需烧蚀高度设定烧蚀时间进行烧蚀，直至加工出由不锈钢模板材料构成的已穿孔的上模板1。

（4）同理，在上模板1的下表面和圆孔5的内壁制作一层防粘附涂层材料的涂层，降低其粘附性，以便于柔性的聚合物材料从上模板1上脱模。

上述步骤中，先制作上模板1或下模板2均可以，两步骤的制作过程没有前后顺序的限定。

第三步，利用上模板1和下模板2制作柔性微孔吸声膜。如图5所示，将上模板1和下模板2铰接安装在一起，制作柔性微孔吸声膜。其具体步骤如下：

（1）将上模板1和下模板2铰接安装在一起。

（2）将液态的柔性聚合物材料使用旋涂或浇铸工艺均匀沉积在下模板2上，即沉积在下模板2的圆柱阵列4上，其中，柔性聚合物材料可以为聚氨酯、聚酰亚胺、硅胶、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、定向聚丙烯薄膜、双向拉伸聚丙烯薄膜、流延聚丙烯薄膜或聚丙烯酸类塑料。

（3）将上模板1压在下模板2上，使得圆柱阵列4插在圆孔阵列3内。

（4）对沉积在上模板1表面和下模板2表面之间的聚合物材料进行固化处理，对其进行加热、风干处理。

（5）待聚合物材料固化后，打开上模板1，脱去下模板2，如图6所示，获得该柔性聚合物材料制成的柔性超微孔吸声膜。

制作完成后的柔性超微孔吸声膜可以与中间支撑层和背腔底层粘结成三层复合结构，或是直接将柔性微穿孔板与背腔底层粘结成两层复合结构，从而获得柔性微穿孔板吸声体，在减振降噪环境中使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

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