西安理工大學湯玉斐課題組《CEJ》：破解輕質材料低頻隔聲難題！

噪音污染已成為現代城市環境和工業生態中不可忽視的公共衛生挑戰,其廣泛存在于建筑和交通等領域。低頻噪聲由于波長長，穿透性強等固有性質不易被衰減。由于質量定律的限制，傳統隔聲材料要實現對低頻噪聲的高隔聲性能不可避免的需要增加重量，這與工業應用中對輕量化的要求相矛盾。而傳統的輕質材料和結構在低頻波段不具備隔音性能，且機械性能較差。因此低頻噪聲的衰減始終是一項具有挑戰的任務。

針對上述難題，西安理工大學湯玉斐教授團隊受人工周期結構的超材料啟發，提出了一種簡單，可擴展的策略，獲得了輕質高強的類材料結構的聚脲氣凝膠。相關成果以“Self-reactive, in-situ generated PUA aerogels: Synergistic low-frequency noise attenuation via metamaterial-like structures and dynamically variation of acoustic impedance”為題，發表于材料科學領域頂刊Chemical Engineering Journal，2025: 168465。論文第一作者為西安理工大學博士生鄭婉星，通訊作者為西安理工大學湯玉斐教授，合作者還包括西安理工大學趙康教授。

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

圖1 類超材料結構聚脲氣凝膠的構建。(a)任意尺寸的類超材料結構PUA氣凝膠的大規模制備，(b) 低密度類超材料結構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 克重物誘導的壓縮變形，類超材料結構PUA氣凝膠的承載能力優于 MFF(一種商業多孔材料的代表)，(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撲骨架。

圖2 類超材料結構聚脲氣凝膠的低頻隔聲性能。(a)基于阻抗管的測量系統示意圖，(b)通過 PUA 氣凝膠的殘余噪聲與原始噪聲的聲壓級對比，(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 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)循環聲傳輸損失曲線，(h)類超材料 PUA 氣凝膠與其他已報道的聲學氣凝膠在不同頻率下的聲傳輸損失對比。

圖3 類超材料結構聚脲氣凝膠的隔聲機理示意圖

圖4 類超材料結構聚脲氣凝膠的隔熱性能。(a)在 145℃加熱平臺上 PUA 氣凝膠的溫度-時間曲線，(b)PUA 氣凝膠頂面隨時間變化的紅外圖像，(c)十二烷基硫酸鈉負載量對 PUA 氣凝膠平均穩態溫度和熱導率的影響，(d)類超材料結構 PUA 氣凝膠的熱傳遞機制，右上角的插圖是PUA-1% SDS 前表面隨時間變化的紅外圖像。

圖5 類超材料結構聚脲氣凝膠的力學性能。(a)PUA氣凝膠的壓縮應力-應變曲線以及(b)其壓縮強度和楊氏模量，(a)圖中的插圖是 PUA 氣凝膠在 40% 變形時的應力-應變曲線。(c)PUA 氣凝膠的彎曲應力-直徑偏轉曲線以及(d)其彎曲強度和彎曲模量，(c)圖中的插圖是 PUA 氣凝膠在三點彎曲測試中的照片，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 氣凝膠的拉伸應力-應變曲線以及(f)其拉伸強度和拉伸模量，(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 氣凝膠機械性能機制示意圖。

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

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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