航空業(yè)的快速發(fā)展給人們的生活帶來了極大的便利，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(yán)重。因此，高效降噪技術(shù)對(duì)于消除航空噪聲至關(guān)重要。然而，由于高強(qiáng)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(fù)雜特性，難以有效治理航空噪聲。傳統(tǒng)的航空降噪技術(shù)（設(shè)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機(jī)微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙率超高、多孔結(jié)構(gòu)相互連接、密度/厚度可調(diào)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)鍵問題是其完全開放的大孔結(jié)構(gòu)在傳播過程中會(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(gòu)建諧振腔結(jié)構(gòu)依然極具挑戰(zhàn)性。
隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，交通噪音污染問題日益嚴(yán)重，已成為全球經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在殺手。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全球有超過4.66億人患有致殘性聽力損失，而致殘性聽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(jì)損失超過7500億美元。由于纖維材料的多孔結(jié)構(gòu)和彎折通道可以增強(qiáng)聲波的摩擦和耗散，現(xiàn)已有許多使用纖維材料作為噪聲吸收器核心部件的報(bào)道，也表現(xiàn)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(tuán)隊(duì)丁彬教授、張世超研究員報(bào)道了一種穩(wěn)健的策略，通過氣泡輔助冷凍鑄造技術(shù)制造具有級(jí)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(wěn)定鉸接共振腔結(jié)構(gòu)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(yīng)和粘性耗散效應(yīng)的巧妙結(jié)合賦予了FCNA良好的全頻噪聲吸收性能（降噪系數(shù)或NRC在63-6300 Hz時(shí)高達(dá)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(shè)計(jì)提供了一個(gè)多功能平臺(tái)。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(guó)際頂級(jí)期刊《ACS Nano》上。
FCNA的制備和級(jí)聯(lián)諧振腔結(jié)構(gòu)
FCNA的制造過程如圖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的分層微觀結(jié)構(gòu)：級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)、單位諧振腔 (10-50 μm) 和穩(wěn)定鉸鏈點(diǎn)。作者指出，該策略結(jié)合了氣泡模板形成的快速性和冷凍鑄造的可擴(kuò)展性，從而可以快速、簡(jiǎn)單、可控地制備FCNA，突出了其大規(guī)模制備的可行性。穩(wěn)定的鉸鏈腔結(jié)構(gòu)賦予了FCNA良好的彎曲性能，一條FCNA可以纏繞在一根細(xì)鐵棒上，這是傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠無法做到的。由于陶瓷納米纖維和納米片的陶瓷特性，F(xiàn)CNA還可以承受高達(dá)1100 °C的高溫火焰而不會(huì)損壞，顯示出其強(qiáng)大的耐火性。在FCNA的制備過程中，在分散體中巧妙地原位引入了穩(wěn)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）。
FCNA的機(jī)械性能
與傳統(tǒng)陶瓷材料的硬脆性質(zhì)相反，F(xiàn)CNA表現(xiàn)出強(qiáng)大的柔韌性、彈性和抗彎曲性。作者進(jìn)一步測(cè)試了大應(yīng)變（60%）下的循環(huán)屈曲恢復(fù)性能（圖3）。即使經(jīng)過1000次屈曲恢復(fù)測(cè)試，F(xiàn)CNA仍能恢復(fù)到初始位置，表現(xiàn)出良好的循環(huán)彎曲性能。FCNA的最大屈曲應(yīng)力在1000次彎曲循環(huán)后仍保留超過92%的初始應(yīng)力，突出了其強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。穩(wěn)定的鉸接腔結(jié)構(gòu)還賦予FCNA強(qiáng)大的抗壓縮疲勞性。此外，F(xiàn)CNAs還表現(xiàn)出良好的抗拉伸變形能力，其拉伸斷裂應(yīng)力和應(yīng)變分別為7.1 kPa和10.6%。熱重分析表明，從室溫到1100°C，F(xiàn)CNA的重量?jī)H下降了4.1%，突出了它們良好的熱穩(wěn)定性。
FCNA的吸聲性能
作者測(cè)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(jiān)測(cè)通過兩個(gè)樣品后的分貝值。令人驚訝的是，通過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(jī)噪聲吸收，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jī)的噪音降低到63.9 dB，同時(shí)在高溫火焰下保持結(jié)構(gòu)完整，而纖維氈與火焰接觸后迅速燃燒，沒有降噪能力。這些結(jié)果表明FCNA可以作為一種堅(jiān)固的高溫吸音材料，具有多種潛在應(yīng)用，例如交通降噪、工業(yè)降噪和建筑降噪。
小結(jié)：作者開發(fā)了一種通過集成柔性陶瓷納米纖維、軟蒙脫石納米片和硅溶膠膠來構(gòu)建具有級(jí)聯(lián)諧振腔的柔性陶瓷納米纖維氣凝膠的簡(jiǎn)便方法。級(jí)聯(lián)共振腔和相互連接的纖維網(wǎng)絡(luò)的綜合優(yōu)勢(shì)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(shù)高達(dá)0.66）。這種具有級(jí)聯(lián)諧振腔的柔性陶瓷納米纖維氣凝膠的開發(fā)將為航空吸音材料開辟一條道路，特別是在極端溫度下有效降噪。
