浙江大学高超教授团队：中低频吸声降噪石墨烯气凝胶

摘要：吸声材料是有效抑制声波传播的关键介质，对于缓解由全球工业化快速发展引发的噪声污染、保护人类健康以及确保精密仪器的精确性和稳定性具有重要意义。利用原子级石墨烯片的共振已被证明是一种提高吸声性能的有效策略。许多石墨烯基泡沫已被证明可以通过增加与声波的空气摩擦损失来

研究背景

吸声材料是有效抑制声波传播的关键介质，对于缓解由全球工业化快速发展引发的噪声污染、保护人类健康以及确保精密仪器的精确性和稳定性具有重要意义。利用原子级石墨烯片的共振已被证明是一种提高吸声性能的有效策略。许多石墨烯基泡沫已被证明可以通过增加与声波的空气摩擦损失来增强吸声性能，然而众多研究在利用共振增强中低频吸收方面仍面临挑战。这归因于缺乏一种有效的石墨烯宏观组装方式，以充分挖掘其二维共振特性。团队最初研究提出了一种高效的石墨烯超薄鼓声学共振吸声气凝胶，证明了其在宽频范围内高效率耗散声波。然而，如何调节二维共振模态以进一步增强中低频段的吸声性能，依然是亟待攻克的难题。

文章简介

浙江大学高超教授、刘英军研究员、庞凯专职研究员团队采用拓扑杂化策略来调节石墨烯鼓的共振模态，成功制备出一种在200 Hz至2000 Hz中低频段内吸声性能增强的石墨烯气凝胶（HGF）。该工作以“Multi-modal resonance of topological hybrid graphene foam for enhanced acoustic absorption”为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊（
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158560）。论文第一作者为硕士生张成奇，该研究还得到西安交通大学刘益伦教授和中科院声学所石同阳副研究员的大力支持与帮助。

工作亮点

拓扑杂化是实现石墨烯鼓多模态共振吸声的关键，该策略使材料在中低频段展现出卓越的吸声性能，其降噪系数（NRC）和平均吸声系数分别实现了约210%和130%的显著提升，超越了众多已报道的传统及先进吸声材料。此外，HGF具有优异的声学稳定性，能够承受大机械变形、200℃的热冲击和98%的相对湿度冲击，吸声性能几乎不受影响。同时，HGF还具备极低的热导率（~45 mW/mK）和超高的阻燃指数（~40% LOI），极大地拓展了其在极端环境下的实际应用价值。

主图概览

图1（a）HGF的制备示意图，以及（b）相应的吸声机制。（c）MF、GF、 HGF的SEM图，以及石墨烯鼓上的Si元素映射图。（d）可大规模制备的 HGF的图片及其机械鲁棒性。

图2 （a）厚度为10 mm时MF和 HGF的吸声曲线。（b）不同纳米粒子含量下HGF的NRC和（c）平均吸声系数。（d）不同厚度下HGF的吸声曲线。（e）不同厚度下HGF与其他已报道吸声材料的NRC比较。（f）不同质量负载下的多阶共振模态（g）不同质量负载下的相同阶数共振模态的石墨烯鼓。

图3 （a）MF和HGF（ε= 90%）的压缩曲线。（b）不同纳米粒子含量下的弹性回复率。（c）HGF在50%压缩应变下经过100次循环后的应力保持率、塑性变形率和能量损失系数。（d）HGF在50%压缩应变下持续压缩7h的应力松弛（ε = 50%）。（e）HGF在50%压缩应变下经过100次循环后的吸声曲线和（f）在2.5 kPa压力下持续压缩24h的吸声曲线。

图4 （a）HGF在不同的相对湿度下静置12h后的NRC以及MF和HGF的水接触角。（b）经200℃热冲击和98%相对湿度处理后的HGF与原始HGF的微观图像对比。（c）HGF在不同温度下热冲击30min后的NRC。（d）MF、GF、HGF在800℃氧气氛围下的TGA和DTG结果。（e）不同纳米粒子含量的HGF的热导率以及HGF在280℃加热板上的红外热像图。（f）不同纳米粒子含量的HGF的极限氧指数（LOI）。（g）MF和HGF的燃烧测试。