浙大高超教授课题组《Adv. Mater.》：“二维超薄共振鼓”用于高性能石墨烯吸声泡沫

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随着社会工业化的不断发展，在建筑、设备及噪音防护等领域对于吸声材料提出更高要求。作为二维材料家族的先驱，石墨烯由于其超高的杨氏模量及优异的面外柔性，在微纳共振器件领域引起了广泛研究。但是如何将二维片层的纳米共振性能应用于宏观领域仍存在许多难题。
浙江大学刘英军副研究员、许震研究员及高超教授课题组在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Highly efficient cellular acoustic absorber of graphene ultrathin drums”的文章（DOI: 10.1002/adma.202103740），论文的第一作者是浙江大学高分子新物质创制国际研究中心、高分子科学与工程学系博士后庞凯，博士后刘晓婷为共同第一作者。该论文得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江大学百人计划、中央高校专项基金等相关经费的资助。
该论文提出了一种低成本、高性能的石墨烯共振吸声泡沫，在声学防护领域展示出巨大的应用潜力。主要创新点如下：
1. 通过在传统聚合物泡沫骨架内部构筑超薄石墨烯纳米鼓结构，既实现了多孔泡沫对声波的摩擦损耗，又利用超薄石墨烯鼓的共振效应协同增强吸声。

2. 结合实验及模拟证实了超薄石墨烯纳米鼓共振效应与石墨烯厚度之间存在负相关的关系，为高性能二维共振材料的研究奠定了理论基础。

3. 通过简单方法即可将商用泡沫转化为高性能吸声材料，平均吸声系数可提高~320%，并且该材料成本较低、容易量产，为工业化应用提供了基础。

图1. A) 高性能石墨烯吸声泡沫主要由聚合物泡沫骨架和嵌入的超薄石墨烯膜组成。B) 石墨烯吸声泡沫的吸声机理主要分为：孔隙内部空气摩擦损耗和超薄石墨烯共振损耗。 
图2. A) 石墨烯吸声泡沫的制备示意图，主要分为：浸渍、溶塑发泡和干燥还原等过程。B-D) 石墨烯吸声泡沫制备过程中的扫描电镜图。E) 吸声泡沫内部超薄石墨烯膜典型厚度的透射电镜图。F) 大尺寸石墨烯吸声泡沫的机械稳定性展示。 
图3. A) 超薄石墨烯纳米膜光学图。B) 石墨烯纳米鼓结构的扫描电镜图。C) 超薄石墨烯膜厚度及原子力显微镜观察图。D) 超薄石墨烯鼓结构共振效应研究装置示意图，主要包括：压电PVDF薄膜作为声频输入源，上下为银电极，激光振动计作为检测输出源。 E) 在200Hz频率输入下，压电薄膜及覆有20， 40， 320 nm石墨烯膜的振动曲线。F) 在宽频（200-6000 Hz）输入下，压电薄膜及覆有20，40，320 nm石墨烯膜的振动曲线。G, H) 通过有限元模拟计算所得到石墨烯鼓结构的振动数据。 
图4. A) 聚合物泡沫(PF)、浸渍石墨烯的聚合物泡沫(PF-rGO)及高性能石墨烯吸声泡沫(PFGA)的吸声曲线。B) PFGA在不同厚度下的吸声曲线。C) 不同厚度的PF和PFGA的平均吸声系数(200-6000 Hz)对比。D) PFGA的吸声范围可覆盖较宽的频率，包括住宅噪声、人声、交通噪声和工业噪声等。E) 在不同厚度下，PFGA与其它材料比降噪系数的对比。 
图5. A) 石墨烯吸声泡沫的实际应用性能展示图。B) 通过压电蜂鸣器输入200Hz的声源，经过PF和PFGA吸声箱后的声压曲线。C) PFGA吸声箱对于不同频率声波的声压降低率。D) 在复杂声音环境中的吸声性能展示装置，主要包括音乐输入源、PFGA箱、声学探头、放大电路及数据采集卡。E) 输入“超级玛丽”音频后，有无PFGA箱所得到的声压曲线。

作者简介

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浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子课题组，由国家杰出青年基金获得者高超教授领衔，目前课题组共有教授1名，特聘研究员1名，副教授1名，特聘副研究员1名，科研助理2名，专职科研人员4名，博士后11名，博士生14名，硕士生17名。团队目前建有石墨烯组装 (A. Lab)、石墨烯复合材料 (C. Lab)、新能源材料 (E. Lab) 3个实验室。近年来，在Science, Nat. Commun., Adv. Mater., Acc. Chem. Res.等期刊发表论文230余篇，文章共被他引16000余次；获得中国发明专利授权百余项、国际专利6项。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202103740

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