一种乐器用纳米增强复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及乐器声学材料，具体涉及一种乐器用纳米增强复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、乐器材料的声学性能直接决定了乐器的音质表现。传统乐器制造依赖天然木材（如枫木、云杉、红松等），其声学特性经过长期实践验证，能够产生理想的音色。然而，优质木材资源日益匮乏，天然木材存在密度不均、易受温湿度影响而导致音色稳定性不足、耐候性差等固有缺陷。

2、为克服天然材料的局限性，业界逐步采用复合材料替代传统木材。复合材料可通过组分和结构设计调节其声学参数，为乐器制造提供了新的材料选择。

3、中国专利cn105283499b公开了一种具有声学性质的复合材料、该复合材料的制造、包含该复合材料的组件、该组件的制造和它们的应用，该复合材料包含热塑性聚合物基质材料和有机天然纤维材料，可通过注塑或挤出成型，具有特定的相对声波阻抗、相对声音辐射阻尼和动态模量等声学参数，并可用于制造乐器或扬声器等产品。该专利还公开了通过注塑或挤出工艺使纤维沿熔体流动方向取向，从而使复合材料呈现各向异性声学性质。此外，该专利提到可在复合材料中添加任选的添加剂，包括碳纳米管、纳米氧化钛、纳米二氧化硅等纳米填料。

4、然而，上述现有技术在对乐器音色至关重要的特定频段声学响应调控方面仍存在不足。该现有技术主要聚焦于通过有机天然纤维的含量、形态和取向来整体调节复合材料的声学参数，并未给出如何通过纳米颗粒掺杂来定向改变复合材料的阻尼系数和/或密度，从而实现对特定目标频段声学共振响应进行精准调控的明确教导或技术启示。这使得该复合材料在面对不同乐器类型（如弦乐器、管乐器）对特定频率范围的差异化音色需求时，难以满足精准、可定向优化以及更高层次音色稳定性与耐候性的要求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决如何对乐器用复合材料的特定频段声学共振响应进行精准定向调控，并同时显著提升其音色稳定性和耐候性的技术问题，提供一种乐器用纳米增强复合材料及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种乐器用纳米增强复合材料，包含：聚合物基体；以及分散于所述聚合物基体中的纳米颗粒增强相，所述纳米颗粒增强相包含选自碳基纳米材料、纳米金属氧化物和纳米二氧化硅中的至少一种；其中，所述纳米颗粒增强相的表面经过界面改性处理，以改善其与所述聚合物基体的结合性；并且，所述纳米颗粒增强相的含量被配置为，满足以下条件之一：（a）使得所述复合材料的阻尼系数相对于未添加所述纳米颗粒增强相的聚合物基体提升至少200%，且对目标频段声学共振响应的定向调控主要通过所述阻尼系数的改变来实现；或（b）使得所述复合材料的密度相对于未添加所述纳米颗粒增强相的聚合物基体改变幅度为3%-15%，且对目标频段声学共振响应的定向调控主要通过所述密度的改变来实现。

4、进一步地，所述碳基纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维或石墨烯中的至少一种；所述纳米金属氧化物为纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化铝中的至少一种。

5、进一步地，所述界面改性处理为通过硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、等离子体处理、聚合物接枝改性或表面活性剂吸附改性中的至少一种方式进行处理。

6、进一步地，所述聚合物基体为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂或酚醛树脂中的至少一种。

7、优选地，所述碳基纳米材料为多壁碳纳米管，且所述多壁碳纳米管的含量占所述复合材料总重量的2.0%-3.0%。

8、优选地，所述纳米金属氧化物为金红石型纳米氧化钛，且所述金红石型纳米氧化钛的含量占所述复合材料总重量的3.0%-5.0%。

9、进一步地，所述复合材料在实现所述目标频段声学共振响应的定向调控后，其音色稳定性相对于未添加所述纳米颗粒增强相的聚合物基体提升35%以上，且耐候性提升60%以上。

10、本发明还提供一种制备上述乐器用纳米增强复合材料的方法，包括以下步骤：s1、提供聚合物基体原料；

11、s2、提供纳米颗粒增强相，所述纳米颗粒增强相包含选自碳基纳米材料、纳米金属氧化物和纳米二氧化硅中的至少一种；

12、s3、对所述纳米颗粒增强相的表面进行界面改性处理；

13、s4、将经界面改性处理后的纳米颗粒增强相均匀分散于所述聚合物基体原料中，形成混合物，其中，所述纳米颗粒增强相的用量被选择为，满足以下条件之一：

14、（a）使固化后的复合材料的阻尼系数相对于未添加该纳米颗粒增强相的聚合物基体提升至少200%，且对目标频段声学共振响应的定向调控主要通过所述阻尼系数的改变来实现；或

15、（b）使固化后的复合材料的密度相对于未添加该纳米颗粒增强相的聚合物基体改变幅度为3%-15%，且对目标频段声学共振响应的定向调控主要通过所述密度的改变来实现；

16、s5、使所述混合物固化成型，得到所述乐器用纳米增强复合材料。

17、进一步地，步骤s4中，将经界面改性处理后的纳米颗粒增强相均匀分散于所述聚合物基体原料中，包括超声波分散处理步骤，所述超声波分散处理的功率为200-500w，时间为30-60分钟；在超声波分散处理之后，还包括高剪切分散处理步骤，所述高剪切分散处理的转速为5000-10000rpm，时间为15-30分钟。

18、进一步地，步骤s5中，固化温度为80℃-120℃，固化时间为2-6小时。

19、由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具备以下有益效果：

20、1、实现对特定频段声学共振响应的精准定向调控：通过配置特定种类和含量的纳米颗粒增强相，利用碳纳米管等碳基纳米材料的黏弹滑移阻尼效应，或利用纳米金属氧化物对基体密度和模量的改变作用，能够有针对性地调节复合材料在特定目标频段（如200hz-5000hz）的阻尼系数和/或密度，从而定向改变该频段的共振频率和声学响应。这种定向调控能力满足不同类型乐器对差异化音色表现的精准需求，解决了现有技术仅能整体调节声学参数而无法实现特定频段定向优化的不足。

21、2、音色稳定性和耐候性显著提升：经界面改性处理后的纳米颗粒增强相与聚合物基体形成良好的界面结合，使得复合材料的音色稳定性相对于未添加纳米颗粒增强相的聚合物基体提升35%以上，耐候性提升60%以上。纳米颗粒增强相的存在有效抑制了环境温湿度变化对材料声学性能的影响，使乐器在长期使用和不同气候条件下保持稳定的音色表现，克服了传统木材及现有复合材料在环境适应性方面的缺陷。

22、3、材料可设计性强，应用范围广泛：通过选择不同类型的纳米颗粒增强相（碳纳米管、纳米氧化钛、纳米二氧化硅等）并配置其含量，可灵活调控阻尼系数和/或密度的改变方向与幅度。例如，当以多壁碳纳米管为增强相且含量为复合材料总重量的2.0%-3.0%时，可实现阻尼系数的大幅提升；当以金红石型纳米氧化钛为增强相且含量为总重量的3.0%-5.0%时，可在调节密度的同时赋予材料良好的紫外屏蔽性能。这种灵活的调控能力使得本发明适用于弦乐器、管乐器、打击乐器等各类乐器声学部件的制造，满足不同乐器对声学性能的差异化需求。

23、4、制备工艺简便，产业应用前景广阔：本发明的制备方法采用超声波分散与高剪切分散相结合的方式，能够实现纳米颗粒增强相在聚合物基体中的均匀分散，并在80℃-120℃的固化温度和2-6小时的固化时间内完成成型，工艺流程简单可控，易于实现工业化生产。