氧化硅氣凝膠因其獨特的微觀結(jié)構(gòu)而被認為是極具潛力的新型吸聲材料,但其納米尺寸的孔洞和堅硬的表面不利于聲波的耦合和損耗。因此,目前研究大多集中在氣凝膠粉體的吸聲性能上。然而,氣凝膠粉體的超臨界干燥成本高昂,且封裝工藝復(fù)雜,限制了氧化硅氣凝膠在吸聲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。如何簡化氣凝膠的制備工藝,以及如何增強其結(jié)構(gòu)與聲波的耦合與吸收能力,成為氣凝膠吸聲應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題。
近日,同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院杜艾教授、祝捷教授和劉宸博士團隊合作,創(chuàng)新性地開發(fā)了一種擠壓-常壓干燥工藝(圖1),成功制備出一種具有梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠材料,并通過宏-微觀表征手段(圖1和圖2)驗證了孔隙的梯度分布。圖3中研究結(jié)果表明,氣凝膠的梯度填充模式對其吸聲性能具有決定性影響:當聲波從大孔端入射時,樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻吸聲特性(2000 Hz以上平均吸聲系數(shù)>0.95,NRC=0.54),顯著優(yōu)于無氣凝膠填充、全填充或小孔端入射的對照組。其性能提升機制可歸結(jié)為以下兩方面:1)梯度結(jié)構(gòu)的聲學(xué)協(xié)同效應(yīng):大孔端作為入射面優(yōu)化了聲波耦合效率,減少聲波的反射,使聲能充分進入材料內(nèi)部;隨著梯度過渡至小孔端,氣凝膠層通過其納米多孔結(jié)構(gòu)的粘滯耗散與散射作用吸收聲波,有效解決了能量泄漏問題(見圖4中 COMSOL仿真驗證);2)異質(zhì)材料復(fù)合的多模式耗散:柔性PMSQ氣凝膠與剛性泡沫骨架的界面耦合增強了聲波-結(jié)構(gòu)相互作用,可能激發(fā)了界面摩擦與局域共振等新型損耗機制。該研究不僅突破了傳統(tǒng)氧化硅氣凝膠在吸聲領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸,還通過材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計實現(xiàn)了多功能拓展。這種梯度復(fù)合氣凝膠在保持高吸聲性能的同時,還兼具優(yōu)異的力學(xué)強度與隔熱特性(圖5),為多物理場耦合環(huán)境下的噪聲-熱協(xié)同管理提供了一種全新的解決方案,具有重要的應(yīng)用價值。
圖1. 梯度復(fù)合氣凝膠的制備流程及宏觀表征
圖2. 梯度復(fù)合氣凝膠微觀形貌及孔徑分布
圖3. 梯度復(fù)合氣凝膠的吸聲性能
圖4. 梯度復(fù)合氣凝膠的聲學(xué)模擬及原理解釋
圖5. 梯度復(fù)合氣凝膠的力學(xué)和熱學(xué)性能
該工作以“Ambiently Dried Aerogel-Foam Composites with Gradient Pore Structure for Enhanced Sound Absorption”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上(2025, 17, 18759–18770.)。文章第一作者為同濟大學(xué)碩士生范才德,通訊作者為同濟大學(xué)劉宸博士、祝捷教授和杜艾教授。上海衛(wèi)星工程研究所的楊金,以及同濟大學(xué)楊建明博士、周斌教授、沈軍教授對該研究做出了重要貢獻,同濟大學(xué)研究生芮美麗和史騰巖也參與了相關(guān)工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中央高校基礎(chǔ)研究基金等多項課題支持。
杜艾教授團隊長期專注于氣凝膠和其它物質(zhì)(電磁波、聲波、高速粒子等)相互作用的研究領(lǐng)域。此次發(fā)表的成果是該團隊在氣凝膠與聲波相互作用方向的最新成果。此前,該團隊已在相關(guān)領(lǐng)域取得了進展,例如針對PI/SiO2氣凝膠的聲衰減問題展開研究(RSC Adv. 2014, 4,58252-58259),為中船集團的相關(guān)應(yīng)用提供了有利支持;此外,團隊還創(chuàng)新性地提出了不均勻結(jié)構(gòu)氣凝膠的簡化理論,借助DLCA(擴散置限團簇凝聚)和COMSOL模擬技術(shù)構(gòu)建“魚骨”模型,對聲波在二氧化硅氣凝膠中的低聲速現(xiàn)象進行了半定量闡釋 (Adv. Compos. Hybrid Mater. 2021, 4,248-256),攻克了困擾氣凝膠領(lǐng)域近三十年的低聲速難題。該工作不僅深化了對氣凝膠與聲波相互作用機制的理解,更為不均勻結(jié)構(gòu)氣凝膠在吸聲隔聲設(shè)計與應(yīng)用方面奠定了基礎(chǔ)。
原文鏈接https://doi.org/10.1021/acsami.4c23072
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