东华大学俞建勇院士、丁彬研究员《自然·通讯》：打破瓶颈，超轻、超弹吸音海绵！

随着交通运输业的快速发展，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。根据世界卫生组织的数据，全球有超过4.66亿人患有致残性听力损失，而致残性听力损失主要是由暴露于噪音引起的，这使得每年造成的经济损失超过7500亿美元。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，现已有许多使用纤维材料作为噪声吸收器核心部件的报道，也表现出良好的高频（通常>1000 Hz）吸收性能。然而，由于纤维直径大（通常>5 μm）和孔隙率低（<60%）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。

为了解决以上问题，东华大学俞建勇院士团队丁彬研究员、张世超研究员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）。在不依赖化学交联的前提下，通过形成层次缠结结构，FCNSs的屈曲和压缩性能得到了高度提高。此外，FCNSs显示出增强的宽带噪声吸收性能（63–6300 Hz时的降噪系数为0.56）和轻质特性（9.3 mg cm–3），且在-100至500°C温度范围内具有高稳定性。该方法打破了传统噪声吸收器所低频吸收低的瓶颈，为开发高效降噪材料提供了更广阔的视野。该研究以题为“Flexible ceramic nanofibrous sponges with hierarchically entangled graphene networks enable noise absorption”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

【FCNSs的结构设计与层次结构】

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，这项研究工作中考虑以下四个需求制备了FCNSs：（1）FCNSs中应具有平行于声波方向的良好互连开放通道和垂直于声波方向的封闭壁层，这不仅确保声波的耗散，而且还防止声波通过材料传播。(2) FCNSs应具有强机械性能，以保证其长期应用稳定性。(3)FCNSs必须具有良好的耐热性，以确保在高温环境下的安全；同时，材料应轻量化，以减少车辆的能源消耗。(4)FCNSs应在厚度方向具有不断变化的组装结构，以实现多界面反射并逐渐消散宽带声波。为了满足前三个要求，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纳米片作为粘合剂和大孔阻断剂，以在SNF之间建立有效的缠结并阻塞纤维腔壁的孔隙；最后一个要求则是通过设计夹层组装结构来满足，以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。如扫描电子显微镜（SEM）图像所示，FCNS的分层结构由开放的小室（尺寸为50-100 μm）、闭合的孔壁（厚度0.5–2 μm）和缠结网络组成。分层缠结结构的形成机制可归因于溶剂的相变以及定向冷冻干燥过程中SNF和GO的共组装。溶剂水在冷冻过程中形成定向冰晶，随着冰晶的生长，分散体中的GO纳米片和陶瓷纳米纤维沿着冰晶的尖端聚集并被挤压在两个冰柱之间。GO纳米片在冰晶的挤压和π-π相互作用下逐渐组装在纤维周围，均匀缠绕在陶瓷纳米纤维表面，并牢固地连接相邻纤维。冷冻干燥后，冰晶直接升华，聚集的GO片组装成分层缠结的GO网络，而陶瓷纳米纤维包裹在网络中形成3D缠结结构。

图1：FCNSs的结构设计与层次结构

【FCNS机械性能的表征】

FCNSs的机械性能与SNFs和GO的含量密切相关，作者发现FCNS70（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，FCNS70的最大应力没有显着降低，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，FCNS70的杨氏模量、能量损失系数和最大应力在1000次循环后仍可保持>60%，进一步证实了其良好的结构稳定性。

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，储能模量、损耗模量和阻尼比在-100至500 °C之间也保持稳定，表明FCNS可用于极端温度下的噪声吸收。此外，当FCNS在高温火焰（~550°C）中压缩时，没有观察到结构坍塌，且在液氮（–196°C）中以80%的大应变压缩后几乎没有塑性变形，证实了FCNS在极端温度下的超弹性。

图2：FCNSs的机械特性

图3：不同温度下FCNSs的机械特性

【FCNS 的吸声特性】

作者使用了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，有效地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 m -2)。

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；而纤维毡显着分解和收缩，几乎没有声音衰减。

图4：夹层FCNS的吸噪音应用

【小结】

研究者们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FCNS，实现了超轻性能、不随温度变化的超弹性和良好的弯曲性。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（NRC为0.56）。因此，FCNS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。

来源：高分子科学前沿

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