比翱观察丨用于宽带和可调声学特性的超轻氧化石墨烯/PVA气凝胶

超轻氧化石墨烯（GO）/聚乙烯醇（PVA）气凝胶（GPA）被提议作为一种新型声学材料，具有可调谐的宽带吸声和传声损失。在研究团队的环保制造过程中利用GO片和PVA分子之间的相互作用来制造嵌入蜂窝芯中的具有分级和可调孔隙率的气凝胶。气凝胶具有增强的声能消散能力，密度极低，仅为2.10 kg m^-3，是有史以来报道的声学材料的最低值之一。研究团队首先通过实验评估和优化了成分与厚度对声学特性的影响，即吸声和传声损失。随后，采用半分析方法来评估不同处理时间对声学特性的影响，并评估材料的声学与非声学特性之间的关系。在400-2500 Hz范围内，报告的平均吸声系数高达0.79，而平均声传输损失可达15.8 dB。我们可以设想，这种亚波长薄而轻的气凝胶基材料如果具备其他功能特性，例如耐火性和电磁屏蔽，将会成为高级工程应用的新型声学材料。
Michele Meo教授领导了巴斯大学对这种超轻气凝胶的研究 在过去的几十年中，创新声学材料的开发引起了人们的极大兴趣，特别是多孔吸声材料已被广泛研究并用于多种工程应用¹。传统的多孔吸声材料，例如多孔泡沫^2、3、4和纤维材料^4、5、6，在中频范围（即800-2000 Hz）内表现出良好的吸声能力，但在较低频率下它们通常体积大且重量大，限制了它们的吸声能力及应用。由于两种主要机制，多孔吸收器消散声能：孔壁上的粘性摩擦和孔内的热损失^7,8。对这些材料吸声能力的理解依赖于对它们的有效密度 (ρ_e) 和体积模量 (K_e) 的预测，这可以通过Johnson-Champoux-Allard(JCA)⁹开发的半现象学流体模型来实现¹⁰，该模型将通过多孔材料的声音传播与其非声学特性相关联，这些特性是孔隙率(ϕ)、流阻(σ)、弯曲度(α_∞)、粘性(Λ)和热(Λ')特征长度。因此，多孔材料的吸声定制需要准确测量这些要素，并与精确的制造过程相关联。多孔吸声介质可以通过化学成分区分为有机、混合或无机⁴，最近人们对使用碳基材料的兴趣日益增长^11,12。氧化石墨烯（GO）是工程新型吸声介质的理想候选者，这要归功于其特殊的化学结构，由具有氧功能的sp²杂化碳原子的二维晶格组成。GO的主要优点是它能够在水中形成稳定的悬浮液¹⁴，并且能够以低成本和环保工艺在各种组件中进行模板化，例如气凝胶¹⁵。GO的应用已经过评估，包括水处理¹⁶、能量存储¹⁷、复合增强材料¹⁸、EMI屏蔽¹⁹和具有阻燃性的隔热²⁰。最近描述了与声学相关的特性^8,12,21。Nine等人²¹开发了一种由三聚氰胺支持的GO混合泡沫，它促进了流阻率和曲折度的增加，导致在800 Hz下的吸声系数为0.6，样品厚度为26毫米。同样，Oh等人¹²制造了一种定向拮抗石墨烯聚氨酯气凝胶，其宽带吸收系数在1000 Hz以上超过0.6，样品厚度为30 mm。在Lu等人的工作中发现了一个仅含碳泡沫的例子⁸，其中气泡的GO溶液被冷冻浇铸和热还原。获得了气泡石墨烯整料，在800-6300 Hz范围内具有0.9的归一化吸声系数，样品厚度为30 mm，密度为7.5 kg m^-3。虽然这些结果实现了薄结构的宽带吸收，但追求可调谐、更轻和更高吸收的材料仍然具有根本性和实际意义。在此，英国巴斯大学机械工程系提出了一类新型的超轻和亚波长薄声学气凝胶，具有高、宽带和可调的吸声和声传输损失。它们是由GO和聚乙烯醇（PVA）的超高剪切混合物制成，然后嵌入蜂窝（HC）芯中，冷冻浇铸，最后冷冻干燥。该过程允许在模板结构中掺入气泡，从而形成超轻的GO/PVA气凝胶（GPA）。PVA具有许多有利的特性，例如高耐化学性、良好的光学和物理特性²²、低毒性²³和高生物降解性²⁴。此外，其水溶性和交联能力使其成为与GO形成均匀溶液的理想候选者。虽然混合成分的改变会产生具有不同物理化学特性的气凝胶，但超高剪切混合时间的变化会改变结构特性。两者都直接影响通过材料的声音耗散效率，因此，将JCA模型塑造为理解GPA声学行为的强大工具。数字显微镜（DM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）用于表征气凝胶的物理和化学性质。测量法向吸收系数（α）和法向入射声传播损失（STL）以确定所展示材料的声学特性，评估和优化成分、厚度和加工时间的影响。JCA模型用于预测气凝胶的物理参数，识别剪切混合过程的影响，并最终提供信息以调整吸声器的声学特性。据研究团队所知，尚未发表任何报告讨论基于半解析模型的功能化GO气凝胶的声学行为，或描述它们的声音传输损失。在这项工作中制造的超轻气凝胶具有高宽带吸声能力，优化的GPA可能是目前有记录的最轻的多孔吸声材料。图文快览

图1：超轻GPA的示意图。

图2：（a-e）GO/PVA气凝胶的DM和（f-o）SEM图像。PVA (a,f,k), GPA-1 (b,g,l), GPA-2 (c,h,m), GPA-3 (d,i,n),GO (e,j,o) 放大倍数：(a–e) × 20、(f–j)×500 和 (k–o)×3000。相同的比例尺适用于具有相同放大率的图像。

表1：所有样品的物理特性 
表2：不同处理时间下GPA-1样品的物理特性

图3：GO/PVA气凝胶的物理化学表征：（a）FT-IR 光谱和（b）XRD谱。GO的波数用黑色表示，而PVA的波数用红色表示。

图4：(a,b) GPA成分和 (c,d) GPA-1厚度对声学特性的影响：(a,c) 吸声和 (b,d)声传输损失。当不作为变体 (a,b) 进行研究时，样品厚度为25毫米。表S2和S3总结了关键和平均α和STL值。

图5：处理时间和密度对GPA-1样品声学特性的影响：(a) 吸声和 (b) 声传输损失。表S4总结了关键和平均α和STL值。（c）在400-2500 Hz范围内计算的平均吸声系数的比较。

图6：具有不同处理时间的GPA-1样品的半现象学分析：(a) 吸声系数的半分析模型预测（实线）和实验测量值（标记）之间的比较。 (b) 流阻率，(c) 曲折度，(d) 受处理时间影响的粘性和热特征长度，具有平均吸声系数趋势。

图7：超轻GO/PVA气凝胶制造工艺图

讨论 & 总结研究团队开发了一种新型超轻气凝胶，用于设计具有出色声学性能的轻薄材料。研究团队利用GO/PVA混合物的化学特性和特定的环保制造工艺将气凝胶嵌入结构蜂窝结构中。物理化学表征证明了共混物成分对材料物理性质的影响、GO片和PVA分子之间氢键的存在以及两种组分形成均质和膨胀结构的能力。还评估了成分、厚度和加工时间对拟议材料声学特性的影响。由于分层孔隙率，所得吸声体具有密度低至2.10 kg m^-3以及可调节的吸声和传输功能的优点。这种基于气凝胶的新型结构为结构工程应用中需要高吸声和传声损失以及出色机械刚度和强度的声学材料的开发提供了解决方案。此外，GO在解锁电磁屏蔽和防火等多功能特性方面的内在潜力可能会促进航空航天和发电行业的先进应用。

参考文献

 
原文来源：Scientific Reports | (2021) 11:10572, Ultralight graphene oxide/polyvinyl alcohol aerogel for broadband and tuneable acoustic properties,Mario Rapisarda, Gian‑Piero Malfense Fierro & Michele Meo，Department of Mechanical Engineering, University of Bath, Bath, BA27AY, UK. https://doi.org/10.1038/s41598-021-90101-0 
通过原文阅读了解此项工作的详细研究成果。


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