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。

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(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)。

圖1 FCNA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分層架構(gòu)
圖1.FCNA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分層架構(gòu)
圖2級(jí)聯(lián)諧振腔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制
圖2.級(jí)聯(lián)諧振腔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制

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。

圖3 FCNA的機(jī)械性能
圖3 FCNA的機(jī)械性能

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。

圖4 FCNA的噪聲吸收性能
圖4 FCNA的噪聲吸收性能

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。

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