2016年11月11日 星期五 09:15:33
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东华大学研发出一种轻质、高稳定性的吸音材料

发表时间:2021/11/18

随着交通运输业的发展,交通噪音污染问题日益严重,已成为全球经济、生态环境和人类健康的潜在杀手。由于纤维材料的多孔结构和弯折通道可以增强声波的摩擦和耗散,现已有许多研究使用纤维材料作为噪声吸收器的核心部件。然而,由于纤维直径大和孔隙率低的固有局限,对于车辆容易产生的低频噪声,传统纤维降噪材料很难拥有较高的吸收性能;若增加纤维材料的厚度或密度,会使得材料重量大,增加能耗,与绿色低碳理念相违背;且常用的聚合物降噪材料耐热性差,不仅容易导致材料分解失效,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)。为了满足交通吸声材料对降噪性能、结构稳定性和耐热性的要求,研究人员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FCNS70(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还表现出良好的循环屈曲性能,在1000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,FCNS70的塑性变形在1000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。


FCNSs的机械特性


研究者使用了Johnson-Champoux-Allard模型来指导和优化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)和超轻特性(280.8 g/m2)。


夹层FCNS的噪音吸收应用


该方法打破了传统噪声吸收器低频吸收低的瓶颈,为开发高效降噪材料提供了更广阔的思路。相关研究以“Flexible ceramic nanofibrous sponges with hierarchically entangled graphene networks enable noise absorption”为题发表在《Nature Communications》上。


(来源:纺织导报官微)