西安理工大學(xué)湯玉斐課題組《CEJ》：破解輕質(zhì)材料低頻隔聲難題！

噪音污染已成為現(xiàn)代城市環(huán)境和工業(yè)生態(tài)中不可忽視的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn),其廣泛存在于建筑和交通等領(lǐng)域。低頻噪聲由于波長長，穿透性強(qiáng)等固有性質(zhì)不易被衰減。由于質(zhì)量定律的限制，傳統(tǒng)隔聲材料要實(shí)現(xiàn)對低頻噪聲的高隔聲性能不可避免的需要增加重量，這與工業(yè)應(yīng)用中對輕量化的要求相矛盾。而傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)在低頻波段不具備隔音性能，且機(jī)械性能較差。因此低頻噪聲的衰減始終是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的任務(wù)。

針對上述難題，西安理工大學(xué)湯玉斐教授團(tuán)隊(duì)受人工周期結(jié)構(gòu)的超材料啟發(fā)，提出了一種簡單，可擴(kuò)展的策略，獲得了輕質(zhì)高強(qiáng)的類材料結(jié)構(gòu)的聚脲氣凝膠。相關(guān)成果以“Self-reactive, in-situ generated PUA aerogels: Synergistic low-frequency noise attenuation via metamaterial-like structures and dynamically variation of acoustic impedance”為題，發(fā)表于材料科學(xué)領(lǐng)域頂刊Chemical Engineering Journal，2025: 168465。論文第一作者為西安理工大學(xué)博士生鄭婉星，通訊作者為西安理工大學(xué)湯玉斐教授，合作者還包括西安理工大學(xué)趙康教授。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168465

圖1 類超材料結(jié)構(gòu)聚脲氣凝膠的構(gòu)建。(a)任意尺寸的類超材料結(jié)構(gòu)PUA氣凝膠的大規(guī)模制備，(b) 低密度類超材料結(jié)構(gòu)PUA氣凝膠可立于牡丹花和單片牡丹花瓣上，(c) 彎曲類超材料PUA氣凝膠展示其柔韌性，(d) 通過 400 克重物誘導(dǎo)的壓縮變形，類超材料結(jié)構(gòu)PUA氣凝膠的承載能力優(yōu)于 MFF(一種商業(yè)多孔材料的代表)，(e)不同十二烷基硫酸鈉添加量的PUA氣凝膠的傅里葉變換紅外光譜，(f)純PUA氣凝膠的掃描電子顯微鏡圖像，(g) PUA-1%SDS，(h) PUA-2%SDS，(i) 不同十二烷基硫酸鈉添加量的PUA氣凝膠的孔隙分布，(j, k , l) PUA- 1%SDS 的放大視圖展示了類超材料PUA氣凝膠的多孔腔和纖維拓?fù)涔羌堋?br/>

圖2 類超材料結(jié)構(gòu)聚脲氣凝膠的低頻隔聲性能。(a)基于阻抗管的測量系統(tǒng)示意圖，(b)通過 PUA 氣凝膠的殘余噪聲與原始噪聲的聲壓級(jí)對比，(c)PUA 氣凝膠在 45-6400 赫茲全頻段的聲傳輸損失，(d)PUA 氣凝膠在 45-1700 赫茲頻段的聲傳輸損失，(e)100-500 赫茲范圍內(nèi) PUA 氣凝膠 1/3 倍頻程頻率的聲傳輸損失，(f)PUA 氣凝膠的表面聲阻抗，(g)循環(huán)聲傳輸損失曲線，(h)類超材料 PUA 氣凝膠與其他已報(bào)道的聲學(xué)氣凝膠在不同頻率下的聲傳輸損失對比。

圖3 類超材料結(jié)構(gòu)聚脲氣凝膠的隔聲機(jī)理示意圖

圖4 類超材料結(jié)構(gòu)聚脲氣凝膠的隔熱性能。(a)在 145℃加熱平臺(tái)上 PUA 氣凝膠的溫度-時(shí)間曲線，(b)PUA 氣凝膠頂面隨時(shí)間變化的紅外圖像，(c)十二烷基硫酸鈉負(fù)載量對 PUA 氣凝膠平均穩(wěn)態(tài)溫度和熱導(dǎo)率的影響，(d)類超材料結(jié)構(gòu) PUA 氣凝膠的熱傳遞機(jī)制，右上角的插圖是PUA-1% SDS 前表面隨時(shí)間變化的紅外圖像。

圖5 類超材料結(jié)構(gòu)聚脲氣凝膠的力學(xué)性能。(a)PUA氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及(b)其壓縮強(qiáng)度和楊氏模量，(a)圖中的插圖是 PUA 氣凝膠在 40% 變形時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)PUA 氣凝膠的彎曲應(yīng)力-直徑偏轉(zhuǎn)曲線以及(d)其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，(c)圖中的插圖是 PUA 氣凝膠在三點(diǎn)彎曲測試中的照片，夾具跨度為 50 毫米，PUA 氣凝膠的厚度、寬度和長度分別為 5 mm、6 mm和 50-60 mm。(e)PUA 氣凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及(f)其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，(g)10×10×2 cm的類似超材料的 PUA 氣凝膠板能夠承受 50 kg成年女性或 65 kg成年男性的重量而不變形。

圖6PUA 氣凝膠機(jī)械性能機(jī)制示意圖。

圖 7 類超材料結(jié)構(gòu)聚脲聲學(xué)屏障的概念驗(yàn)證。(a)使用紅外燈作為熱源的隔熱測量裝置示意圖，(b)隔熱箱內(nèi)部和外部在頻繁暴露于紅外光下的溫度響應(yīng)，(c)類超材料結(jié)構(gòu)PUA氣凝膠聲屏障在實(shí)際應(yīng)用中的原型測試示意圖，(d 和 e)以白噪聲為聲源時(shí)的聲衰減性能，(f 和 g)以 100 赫茲低頻噪聲為聲源時(shí)的聲衰減性能，(g)中的插圖是 0 至 500 赫茲范圍內(nèi)的頻率-聲強(qiáng)曲線，(h 和 i)以 250 赫茲低頻噪聲為聲源時(shí)的聲衰減性能，(i)中的插圖是 0 至 1250 赫茲范圍內(nèi)的頻率-聲強(qiáng)曲線，(j 和 k)以 400 赫茲低頻噪聲為聲源時(shí)的聲衰減性能，(k)中的插圖是 0 至 2000 赫茲范圍內(nèi)的頻率-聲強(qiáng)曲線，(l 和 m)使用建筑噪聲時(shí)有或無類超材料結(jié)構(gòu)PUA氣凝膠聲屏障的聲衰減性能，(n)類超材料結(jié)構(gòu)PUA氣凝膠與其他已報(bào)道的聲學(xué)氣凝膠的綜合性能比較。

來源：材料科學(xué)與工程公眾號(hào)。感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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