航空業(yè)的快速發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了極大的便利,然而,不斷提高的飛行速度和裝載能力使航空噪聲污染日益嚴重。因此,高效降噪技術(shù)對于消除航空噪聲至關(guān)重要。然而,由于高強度(>70 dB)、寬頻帶(通常為250~6000 Hz)和高噪聲源溫度(甚至>1000°C)等復雜特性,難以有效治理航空噪聲。傳統的航空降噪技術(shù)(設備創(chuàng )新或改進(jìn)飛行程序)存在效率低、技術(shù)難度大、成本高等缺陷。因此,需要大力開(kāi)發(fā)耐高溫、吸聲帶寬、重量輕、高效降噪的先進(jìn)吸聲材料。陶瓷納米纖維氣凝膠以其無(wú)機微結構穩定、孔隙率超高、多孔結構相互連接、密度/厚度可調等優(yōu)點(diǎn)引起了航空航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。然而,與納米纖維氣凝膠相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題是其完全開(kāi)放的大孔結構在傳播過(guò)程中會(huì )傳輸大量噪聲波,從而限制了低頻噪聲的吸收。因此,在納米纖維氣凝膠中有效構建諧振腔結構依然極具挑戰性。

隨著(zhù)交通運輸業(yè)的快速發(fā)展,交通噪音污染問(wèn)題日益嚴重,已成為全球經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康的潛在殺手。根據世界衛生組織的數據,全球有超過(guò)4.66億人患有致殘性聽(tīng)力損失,而致殘性聽(tīng)力損失主要是由暴露于噪音引起的,這使得每年造成的經(jīng)濟損失超過(guò)7500億美元。由于纖維材料的多孔結構和彎折通道可以增強聲波的摩擦和耗散,現已有許多使用纖維材料作為噪聲吸收器核心部件的報道,也表現出良好的高頻(通常>1000 Hz)吸收性能。

鑒于此,東華大學(xué)俞建勇院士團隊丁彬教授、張世超研究員報道了一種穩健的策略,通過(guò)氣泡輔助冷凍鑄造技術(shù)制造具有級聯(lián)共振腔的柔性陶瓷納米纖維氣凝膠(FCNA)。該氣凝膠由柔性二氧化硅納米纖維(SNF)、軟蒙脫石(MMT)納米片和硅溶膠組裝而成,穩定鉸接共振腔結構賦予氣凝膠不隨溫度變化的可壓縮性(-196至1100°C)和可彎曲性,承受1000次屈曲循環(huán)而不斷裂,并且在1000次循環(huán)壓縮后僅顯示5%的塑性變形。更重要的是,諧振效應和粘性耗散效應的巧妙結合賦予了FCNA良好的全頻噪聲吸收性能(降噪系數或NRC在63-6300 Hz時(shí)高達0.66)。這種柔性陶瓷納米纖維氣凝膠的合成為各領(lǐng)域高效吸音材料的設計提供了一個(gè)多功能平臺。相關(guān)工作以“Bubble Templated Flexible Ceramic Nanofiber Aerogels with Cascaded Resonant Cavities for High-Temperature Noise Absorption”為題發(fā)表在國際頂級期刊《ACS Nano》上。

用于高溫噪聲吸收的柔性陶瓷納米纖維氣凝膠

FCNA的制備和級聯(lián)諧振腔結構

FCNA的制造過(guò)程如圖1所示,起始材料主要包括二氧化硅納米纖維、MMT納米片、吐溫80、聚丙烯酰胺(PAM)和硅溶膠。SEM顯示FCNA的分層微觀(guān)結構:級聯(lián)諧振結構、單位諧振腔 (10-50 μm) 和穩定鉸鏈點(diǎn)。作者指出,該策略結合了氣泡模板形成的快速性和冷凍鑄造的可擴展性,從而可以快速、簡(jiǎn)單、可控地制備FCNA,突出了其大規模制備的可行性。穩定的鉸鏈腔結構賦予了FCNA良好的彎曲性能,一條FCNA可以纏繞在一根細鐵棒上,這是傳統陶瓷氣凝膠無(wú)法做到的。由于陶瓷納米纖維和納米片的陶瓷特性,FCNA還可以承受高達1100 °C的高溫火焰而不會(huì )損壞,顯示出其強大的耐火性。在FCNA的制備過(guò)程中,在分散體中巧妙地原位引入了穩定的氣泡模板,泡模板均勻地分散在納米纖維/納米片分散體中,納米纖維和納米片緊密地鎖在氣泡之間(圖2)。

圖1 FCNA的結構設計和分層架構
圖1.FCNA的結構設計和分層架構
圖2級聯(lián)諧振腔結構的形成機制
圖2.級聯(lián)諧振腔結構的形成機制

FCNA的機械性能

與傳統陶瓷材料的硬脆性質(zhì)相反,FCNA表現出強大的柔韌性、彈性和抗彎曲性。作者進(jìn)一步測試了大應變(60%)下的循環(huán)屈曲恢復性能(圖3)。即使經(jīng)過(guò)1000次屈曲恢復測試,FCNA仍能恢復到初始位置,表現出良好的循環(huán)彎曲性能。FCNA的最大屈曲應力在1000次彎曲循環(huán)后仍保留超過(guò)92%的初始應力,突出了其強大的結構穩定性。穩定的鉸接腔結構還賦予FCNA強大的抗壓縮疲勞性。此外,FCNAs還表現出良好的抗拉伸變形能力,其拉伸斷裂應力和應變分別為7.1 kPa和10.6%。熱重分析表明,從室溫到1100°C,FCNA的重量?jì)H下降了4.1%,突出了它們良好的熱穩定性。

圖3 FCNA的機械性能
圖3 FCNA的機械性能

FCNA的吸聲性能

作者測試了FCNA在室溫(25°C)和高溫(1100°C)下的實(shí)際噪聲吸收能力(圖4)。將FCNAs和市售的30mm厚的主流纖維氈分別放入吸音裝置中,然后從樣品的左端傳出~80dB的白噪聲;同時(shí),分別實(shí)時(shí)監測通過(guò)兩個(gè)樣品后的分貝值。令人驚訝的是,通過(guò)FCNAs后,白噪聲降低了26.5 dB,而纖維氈僅降低了11.2 dB,證明了我們的FCNAs良好的降噪性能。此外,為了模擬高溫條件下的實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機噪聲吸收,現場(chǎng)測試了FCNA在高溫火焰(1100°C)下的降噪性能。FCNA可以將空氣壓縮機的噪音降低到63.9 dB,同時(shí)在高溫火焰下保持結構完整,而纖維氈與火焰接觸后迅速燃燒,沒(méi)有降噪能力。這些結果表明FCNA可以作為一種堅固的高溫吸音材料,具有多種潛在應用,例如交通降噪、工業(yè)降噪和建筑降噪。

圖4 FCNA的噪聲吸收性能
圖4 FCNA的噪聲吸收性能

小結:作者開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)集成柔性陶瓷納米纖維、軟蒙脫石納米片和硅溶膠膠來(lái)構建具有級聯(lián)諧振腔的柔性陶瓷納米纖維氣凝膠的簡(jiǎn)便方法。級聯(lián)共振腔和相互連接的纖維網(wǎng)絡(luò )的綜合優(yōu)勢使柔性陶瓷納米纖維氣凝膠具有不隨溫度變化的全頻噪聲吸收性能(在63-6300Hz時(shí)降噪系數高達0.66)。這種具有級聯(lián)諧振腔的柔性陶瓷納米纖維氣凝膠的開(kāi)發(fā)將為航空吸音材料開(kāi)辟一條道路,特別是在極端溫度下有效降噪。

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