东华大学俞建勇院士团队《自然·通讯》丨可实现全频噪声吸收的柔性陶瓷纳米纤维材料

Original ProAcoustics Prosynx 2023-02-13

东华大学研究团队提出了一种简单的方法来构建具有分层缠结石墨烯网络的柔性陶瓷纳米纤维海绵材料（FCNS），实现了超轻性能、不随温度变化的超弹性和良好的曲折度。此外，分层缠结的夹层结构实现了多界面反射能力，有助于提高吸声性能。此项研究工作说明此类柔性陶瓷纳米纤维海绵新型材料可以作为有效的吸声材料，具有潜在的广泛应用，如交通降噪、工业降噪和家庭降噪，尤其是在高温环境下的安全降噪等。

交通噪声污染正给全球经济、生态环境和人类健康带来了巨大的负担。然而，目前的交通降噪材料大多存在吸声带窄、重量大、耐温性差等问题。纤维材料具有多孔结构和弯折通道的优点，可以增强声波的摩擦和耗散，表现出较好的高频（通常>1000 Hz）吸收性能。然而，由于纤维直径大（通常为>5μm）、孔隙率低（Φ<60%）等固有特征，传统的微细纤维吸声材料存在一定的缺陷，使得其控制运载交通工具的低频噪声方面性能表现不是很理想。

为了解决这个问题，有必要增加纤维材料的厚度或密度，但是，这会导致重量过大（>50 mg cm^-3）和高频噪声吸收不佳。此外，运载交通工具（飞机、船舶、高铁动车、汽车等）留给吸声材料的空间有限，增加密度会增加能耗，与绿色低碳理念相违背。而且，常用的聚合物降噪材料耐热和阻燃性能一般，不仅容易导致材料失效，甚至会引发安全问题。

为了解决上述问题，东华大学俞建勇院士、丁彬研究员、张世超研究员团队提出了通过结合定向冷冻干燥技术和抗坏血酸还原的方法来制备由柔性SiO2纳米纤维（SNF）和还原氧化石墨烯（rGO）组成的、带有独特的分层缠结结构的柔性陶瓷纳米纤维海绵（FCNSs）。为了满足运载工具用吸声材料对降噪性能、结构稳定性和耐热性的要求，东华大学研究团队选择了具有良好热稳定性的柔性SNF作为构建纤维框架结构的基础；同时，选择柔性的二维GO纳米片作为黏合剂和大孔阻断剂，以在SNF之间建立有效的缠结并阻塞纤维腔壁的孔隙；最后通过设计夹层组装结构来实现宽带声波的多重耗散。与以往制备降噪材料的方法不同，该制造工艺SNF的简单制备与定向冷冻干燥技术的灵活性相结合，使得FCNS的制备容易且结构可调。

FCNSs的结构设计与层次结构

FCNSs的机械性能与SNFs和GO的含量密切相关，研究者发现FCNS 70（含量SNF：GO为10：7）可以具有所需的结构稳定性。独特的缠结结构赋予了FCNS优良的屈曲性能，可以承受较大的屈曲变形（80%）而不会断裂。FCNS70还呈现良好的循环屈曲性能，在一千次循环屈曲后，其可以保留超过70%的初始最大应力。此外，FCNSs还表现出所需的压缩疲劳抗力，在大应变（60%）下，FCNS 70的塑性变形在一千次压缩后仅为4.3%。此外，FCNSs结合了高分子材料的结构特性和陶瓷的耐高温性，在不同环境温度下表现出稳定的粘弹性和超弹性性能。

FCNS的机械特性

不同温度下FCNS的机械特性

东华大学团队使用了Johnson-Champoux-Allard（JCA）模型（五个BIOT-比翱参数，孔隙率Φ、流阻σ、曲折度α∞、粘性和热特征长度Λ、Λ’，通过实验确定）来指导和优化FCNS的设计，探索了声学参数对FCNS吸声性能的影响，然后进一步对FCNS的结构参数进行反馈设计以实现宽带噪声吸收。进一步构建了FCNS厚度方向的夹层结构，有效增强了材料内部声波的多级反射路径，从而成功地增加了声能耗散，表现出高噪声吸收（NRC为0.56）和轻量化特性（280.8 g/m²)。

柔性GCNA的吸声性能

评估了夹层FCNS的特定声音衰减能力。用约80 dB的白噪声模拟交通噪声，通过管道中间的商用纤维毡后，噪声仅降低至67.4 dB，而夹层FCNS将噪声降低至53.4 dB。进一步监测了真实汽车发动机噪声的衰减能力，将装有商用纤维毡和夹层FCNS的底部密封圆管放置在工作发动机旁边，夹层FCNS将噪音降低了19.4 dB，而纤维毡仅降低了8.3 dB。此外，当温度为250 °C的加热台接近两个样品时，夹层的FCNS不仅在10分钟后降低了17.7 dB的噪声，而且保持了完整的形态；而纤维毡显著分解和收缩，几乎没有声音衰减。

夹层FCNS的噪声吸收应用

该方法打破了传统噪声吸收体低频吸收不良的瓶颈，为开发新型高效降噪材料提供了更广阔的思路。相关研究以“具有分层缠绕石墨烯网络的柔性陶瓷纳米纤维气凝胶可实现全频噪声吸收，Flexible ceramic nanofibrous sponges with hierarchically entangled graphene networks enable noise absorption”为题发表在《Nature Communications》上，https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-337332/v1。

通过阅读原文查看此项研究论文。

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