根据世界卫生组织的统计数据可知,声学噪音对于人类生活具有巨大的危害,已成为继空气污染之后的人类公共健康的第二个杀手。传统吸声材料主要是聚合物泡沫及穿孔板等,虽然可显著降低声波传输,但是随着社会工业化发展和噪音污染加剧,目前对于吸声材料结构及性能提出了更高需求。

二维石墨烯超薄片层的高面内刚度和大面外弹性,在纳米共振器件领域展示出巨大应用潜力。但由于石墨烯在组装中易产生片层堆积,因此如何在宏观吸声领域中利用超薄二维片层的共振效应仍存在挑战。

浙江大学高分子系刘英军副研究员许震研究员高超教授课题组通过实验及模拟揭示了超薄石墨烯的强共振效应,提出了利用超薄二维石墨烯鼓的优异共振效应提升商用泡沫的吸声能力,构筑了高性能宏观吸声泡沫,在噪音防护、建筑设计及声学设备等领域具有重要实用价值

打开网易新闻 查看更多图片

图1.高性能石墨烯吸声泡沫的结构示意图及其原理。

设计思想:在传统低成本高分子泡沫骨架内部构筑超薄石墨烯纳米鼓结构,既保证了整体孔隙的声波摩擦损耗,又保证了微结构对于声波的共振吸收。

图2. 高性能石墨烯吸声泡沫的制备及结构。

为防止石墨烯在传统聚合物泡沫内部的聚集,该工作首先将氧化石墨烯浸渍到泡沫骨架上,随后利用课题组提出的溶塑发泡技术( Science Advances, 2020, 6(46):eabd4045)构筑超薄石墨烯纳米鼓结构。

打开网易新闻 查看更多图片

图3.超薄石墨烯鼓结构单元的共振研究。

通过实验及模拟以超薄的石墨烯膜作为模型,揭示了石墨烯的共振效应与石墨烯厚度呈现负相关,当厚度增加到320 nm时,基本未产生明显共振峰(200-6000 Hz),为高性能吸声材料的构筑及设计提供了理论基础。

图4. 高性能石墨烯吸声泡沫的性能研究。

证明了在200-6000 Hz的频率范围内,高性能石墨烯吸声泡沫相比商用泡沫的平均吸声性能可提高~320%,超过大部分已报道吸声材料

图5.高性能石墨烯吸声泡沫的实用性能展示。

该工作还展示了所制备高性能石墨烯泡沫在不同频率声音及不同音乐环境下的实际应用效果。

该研究的最大意义在于,通过简单的制备即可将商用泡沫转化为高性能吸声材料,并且价格低廉,容易量产,对于在宏观声学领域发挥二维超薄材料优异振动效应的研究有着重要启示意义。论文的第一作者为浙江大学高分子新物质创制国际研究中心、高分子科学与工程学系博士后庞凯,其中博士后刘晓婷为共同第一作者。该论文得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江大学百人计划、中央高校专项基金等相关经费的资助。

参考文献:

Pang K.; Liu X.;Pang J.; Samy A.; Xie J.; Liu Y.; Peng L.; Xu Z.; Gao C.,Highly efficient cellularacoustic absorber of graphene ultrathin drums. Advanced Materials, 2022, Accepted. (DOI: 10.1002/adma.202103740)

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!