摘要：随着现代科学技术的快速发展，噪声污染已经成为影响人类健康的一个亟需解决的关键问题。近年来，气凝胶因其良好的耐用性、可调性、轻质设计和热稳定性成为一种具有广阔前景的吸声材料，性能优于传统吸声材料。但是开发具有简单工艺，并能够实现动态可调宽频吸声性能和阻燃性能的梯
随着现代科学技术的快速发展，噪声污染已经成为影响人类健康的一个亟需解决的关键问题。近年来，气凝胶因其良好的耐用性、可调性、轻质设计和热稳定性成为一种具有广阔前景的吸声材料，性能优于传统吸声材料。但是开发具有简单工艺，并能够实现动态可调宽频吸声性能和阻燃性能的梯度多级孔气凝胶仍然面临着挑战。
近日，天津工业大学张青松教授、陈莉教授、穆齐锋博士联合清华大学危岩教授及其团队在《Advanced Functional Materials》上发表“Tunable Stress-Responsive Biomimetic Multi-Stage Porous Aerogels as Advanced Wideband Acoustic Absorbers with Superior Flame Resistance”最新研究成果，该研究通过微生物发酵和凝胶化的协同作用，成功制备了一种具有动态可调宽频吸声和阻燃性能的自组装仿生多级孔气凝胶（BMPA）。
研究亮点：力学响应性的孔结构演化、动态可调宽频吸收性能、卓越的阻燃性能
该材料具有自下而上的梯度结构，大孔套嵌小孔的多级骨架，不仅实现了高达93%的可调孔隙率和超低密度（0.0518 g cm-3）,还能通过拉伸动态调控吸声频段。气凝胶显示出优异的声学和降噪性能（吸收系数高达0.998），在模拟环境中成功降噪17 dB，并通过浸入Zn2+溶液获得的高阻燃性能性（LOI值超60%）。这一突破性进展为建筑、汽车和工业领域的高温环境噪声控制提供了全新方案。研究设计与孔结构演化及其机械性能
团队通过酵母发酵与凝胶化的协同作用，成功构建了具有半互穿网络的多级孔水凝胶（BMPH），再经冷冻干燥得到气凝胶（BMPa）。SEM图像显示，BMPA具有从顶部到底部分布的梯度孔隙结构（5 μm至1000 μm），而X射线三维成像进一步证实了其大孔嵌套小孔的多级骨架。此外，BMPA具有超轻性能，并且在浸渍Zn2+溶液后表现出优异的阻燃性，在500°C火焰下20 秒仍能保持结构完整。通过光学照片、SEM和共聚焦显微镜图像对比了未发酵的PAAm/SA水凝胶（PSH）与发酵后的BMPH。BMPH因CO₂气泡的引入形成多尺度孔隙，其粗糙度显著增加。红外光谱分析揭示了SA与PAAm网络间的氢键作用，而酵母的引入未产生新化学键，证实了发酵过程的温和性。BMPH纳米至微米级别的孔径范围也为宽频吸声奠定了基础。尽管多孔结构降低了其压缩强度（2.4 MPa vs. PSH的10 MPa），但调整后的BMPH韧性可达PSH的5 倍（33234 kJ m-3）。循环拉伸实验（图3e-f）表明，BMPH在500次加载-卸载后仍几乎保持稳定，归因于氢键重构和孔隙合并。3D-DIC技术进一步捕捉了拉伸过程中底部裂纹的萌生与扩展，为材料力学行为提供了直观证据。图2. 仿生物多级孔凝胶的形态结构。a-d) 未发酵的PAAm/SA水凝胶（PSH）和BMPH的光学照片和结构示意图；e, g)扫描电镜图和 f, h) 真彩共聚焦显微镜图；i) BMPH 的三维 X 射线图像，包括重建和断层扫描；j)孔径分布；k) 酵母菌、SA、PSH和BMPH的红外光谱。
图3. 仿生多级孔凝胶的机械性能。a) 凝胶拉伸、打结、扭曲和弯曲图；b) BMPH和PSH以及 c) 力学性能调节后的BMPH的拉伸应力-应变曲线；d) 杨氏模量、韧性和拉伸强度；e) BMPH经500次加载-卸载循环拉伸应力-应变曲线和 f)能量耗散图；g) BMPA及PSA的压缩应力-应变曲线；h)3D-DIC 系统测定BMPH 的拉伸行为。检测凝胶断裂前后的变形，红色圆圈代表BMPH的高应变和断裂区。
研究机理：改变孔隙形状来调整吸声频带
通过原位光学显微镜观察了BMPH在0%-150%拉伸下的孔隙变形。结果显示，大孔（400 μm）在拉伸下迅速变为椭圆形（长径比达9.9），而小孔（50 μm）几乎不变（图4a-f）。有限元模拟（图4g）揭示了应力从大孔向小孔的传递过程，解释了拉伸如何通过改变孔隙几何形状和连通性拓宽吸声频带。
图4. BMPH 在伸长率为 0%-150% 的拉伸过程中的孔隙演变。由光学显微镜原位观察的a) 50 μm、b) 100 μm、c) 200 μm及d) 400 μm不同尺度的微米级孔隙变形过程；e) BMPH 的整体变化和放大图；f) 不同尺度孔对应的长径比变化图；g) BMPH在拉伸过程中孔隙结构演变的模拟图。
研究成果：吸声性能和阻燃性的增强
拉伸后的BMPA孔隙分布更加多样化，吸声系数最高达0.998，有效频带从1.5 kHz扩展至3 kHz。半功率频率分析证实拉伸可线性增加吸声带宽。与单一孔径材料相比，BMPA的多级孔结构显著提升了全频段吸声效率。实际噪声测试中，BMPA将85.7 dB的噪声降至68.7 dB，降幅达17 dB，展现了其在建筑隔音中的巨大潜力。浸渍Zn²⁺的BMPA在垂直燃烧测试中实现自熄（V-0级），极限氧指数超60%，优于多数商用阻燃材料。热重分析表明Zn2+通过形成ZnO保护层抑制燃烧。值得注意的是，碳化后的BMPA仍保持优异吸声性能，使其兼具高温隔热与噪声控制的双重功能，适用于航空航天和汽车内饰等极端环境。图5. a) 不同拉伸倍率下仿生多级孔气凝胶的扫描电镜图像；b) 孔径分布和 c) BMPA 在不同拉伸倍率时的吸声系数和半功率频率面积；d) 半功率频率面积与拉伸放大率的线性图；e) 生物仿生多级多孔气凝胶与未发酵 PAAm/SA气凝胶、大孔样品和小孔样品的吸声特性对比； f) BMPA与其他吸声材料的吸声系数比较图； g) BMPA模拟吸声应用场景图；h) BMPA 不同孔隙的声波耗散机理图。
总结
作者使用微生物发酵和冷冻干燥成功制备了自组装聚丙烯酰胺/海藻酸钠多级多孔气凝胶，介绍了动态可调宽带吸声材料和自组装多级多孔气凝胶的制备，展示了多孔材料在汽车内饰、工业环境和住宅噪音预防方面具有巨大的应用潜力。
相关研究成果以“Tunable Stress-Responsive Biomimetic Multi-Stage Porous Aerogels as Advanced Wideband Acoustic Absorbers with Superior Flame Resistance”为题发表在Advanced Functional Materials（2025,10.1002/adfm.202503142）期刊上，天津工业大学材料科学与工程学院硕士研究生王晓萱为第一作者，天津工业大学张青松教授为通讯作者，陈莉教授、穆齐锋博士和清华大学危岩教授为共同通讯作者。
来源：高分子科学前沿