【ACS nano】中南林业科技大学【绿木气凝胶用于超宽带近完美声学吸收】
想收听这篇文章的博客版本吗？点击这里就能开启收听啦～一、研究背景与核心挑战
- 噪声污染危害：WHO 认定为全球第二大环境风险因素，全球超 250 万人因噪声导致≥25dB 的听力损失，且与心血管疾病相关。
- 传统材料（陶瓷、聚合物泡沫）：低中频（<1000Hz）吸声弱， microstructure 单一；
- 现有宽带材料：难以实现超宽带近完美吸声（SAC>0.95），弹性差、易老化、不环保。
- 研究目标：开发兼具超宽带近完美吸声、超弹性、环保性的可持续材料。
二、核心技术与制备流程
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| | 纤维素 / 木质素比例高（结晶度 55.16%），活性强，易交联 |
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| | 形成物理氢键 + 化学醛醇缩合交联，增强结构稳定性与弹性 |
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三、关键性能数据与优势
（1）吸声性能（核心指标）
- 核心参数：SAC（吸声系数）0.95-1，覆盖 520-6300Hz 超宽频段；NRC（噪声降低系数）0.82，为目前已报道材料最高值。
- 对比优势：优于商用吸声棉（SAC<0.76）、石墨烯基材料（吸声频段 2244-6400Hz）等现有材料。
- 建筑隔声：木质房屋墙体使用后，交通噪声从 75dB 降至 32dB（符合 GB 50118-2010 Class 0 级）；
- 水下降噪：潜艇模型使用后，噪声降低 53.6%，降至 52dB。
（2）力学性能
- 超弹性：可承受 80% 应变，卸载后完全恢复无残留变形；
- 压缩疲劳抗性：1000 次 50% 应变循环后，最大应力保留 90.5%，弹性模量保留 90.1%；
- 轻量化：密度仅 0.30g/cm³，可平衡在蒲公英绒毛上。
（3）环境稳定性
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| SAC≥0.85，-196℃时 SAC 0.934 | |
| 未改性 SAC 0.595；改性后 SAC 0.949 | |
| 7 天后压缩强度保留 > 95%，SAC 无显著下降 | |
（4）环保与生物性能
- 生物降解性：56 天霉菌降解减重 33.7%，28 天土壤埋藏减重 56.7%；
- 生物相容性：HaCaT 细胞相对生长率（RGR）98.2%，属非细胞毒性材料（USP 等级 1）；
- 阻燃优化：刷涂含硼酸锌的液体阻燃剂后，达到 EN13501-1 Class B-s1,d0 标准。
四、吸声机制
- 通道引导与闭环耗散：平行层状微通道提供适度流阻，引导声波进入，层间条带形成闭环，实现声波循环反射 - 摩擦 - 耗散；
- 多层级孔隙作用：6 个数量级的孔隙尺寸（微孔→介孔→大孔），适配不同波长声波，增强黏热损耗；
- 高 tortuosity 提升摩擦：层间条带使 tortuosity 达 1.33，高于低 MFs 含量样品（1.01-1.08），增强声波与纤维表面的摩擦耗散。
五、应用前景
- 民用领域：建筑隔声墙、室内降噪材料、交通工具减振吸声；
- 特殊领域：水下航行器降噪、极端环境（极地、高温场景）吸声材料；
- 可持续场景：可降解噪声防护材料（替代传统难降解聚合物泡沫）
图解
图 1 不同木材细胞壁位置解离的木材微纤维（MFs）的制备策略、形貌及化学成分。(a) S₂亚层木材微纤维（MFs-S₂）和中层木材微纤维（MFs-ML）的解离示意图。(b−g) 三种木材微纤维的扫描电子显微镜（SEM）图像：(b, c) 中层木材微纤维（MFs-ML）；(d, e) S₂亚层木材微纤维（MFs-S₂）；(f, g) 随机层木材微纤维（MFs-RL）。(h−j) 三种木材微纤维的纤维素 / 木质素分布（以 I₂₉₀₀/I₁₅₉₉比值表示）：(h) 中层木材微纤维（MFs-ML）；(i) S₂亚层木材微纤维（MFs-S₂）；(j) 随机层木材微纤维（MFs-RL）。(k) 共聚焦拉曼光谱。(l) 纤维素 / 木质素强度对比图。(m) X 射线衍射（XRD）图谱。图 2 S₂亚层木材微纤维（MFs-S₂）与聚乙烯醇（PVA）的 3D 交联。(a) 以戊二醛（GA）为交联剂的 S₂亚层木材微纤维（MFs-S₂）与聚乙烯醇（PVA）的交联示意图，展示了推测的物理和化学键合类型。(b) 傅里叶变换红外（FTIR）光谱、(c) X 射线衍射（XRD）图谱、(d−g) S₂亚层木材微纤维（MFs-S₂）与聚乙烯醇（PVA）交联前后的 C 1s 和 O 1s X 射线光电子能谱（XPS）。(h) 热重（TG）曲线和 (i) 微分热重（DTG）曲线。图 3 S₂亚层木材微纤维 - 戊二醛 - 聚乙烯醇（MFs-S₂−GA−PVA）气凝胶的层级有序结构。(a) 用于构建层级各向异性结构的定向冷冻示意图。(b−e) MFs-S₂−GA−PVA-1 气凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像：(b−c) 侧视图（X−Z 平面），展示多层级孔隙；(d−e) 正视图（Y−Z 平面），呈现各向异性平行层状微通道。(f−i) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶的 SEM 图像：(f−g) 侧视图和 (h−i) 正视图。(j−m) MFs-S₂−GA−PVA-5 气凝胶的 SEM 图像：(j−k) 侧视图和 (l−m) 正视图图 4 S₂亚层木材微纤维 - 戊二醛 - 聚乙烯醇（MFs-S₂−GA−PVA）气凝胶沿 Y 方向压缩时的柔韧性与超弹性。(a) 厘米 / 分米尺度的 MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶。(b) 多种形状的 MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶。(c) 一块轻质 MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶平衡在蒲公英种子绒毛尖端。(d) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶在压缩前、压缩过程中及压缩后的状态。(e) 不同气凝胶在 50% 最大应变下的压缩应力 - 应变曲线。(f) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶在加载 - 卸载循环过程中的压缩应力 - 应变曲线。(g) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶在 50% 最大应变下的 1000 次循环疲劳测试。(h) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶在不同循环次数下的杨氏模量、最大应力及能量损失系数 ΔU/U。(i) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶的超弹性机理示意图。图 5 S₂亚层木材微纤维 - 戊二醛 - 聚乙烯醇（MFs-S₂−GA−PVA）气凝胶的孔隙结构与吸声性能。(a) 氮气吸附 - 脱附等温线。(b) 微孔和介孔尺寸分布。(c) 汞侵入累积曲线。(d−f) 不同厚度的 MFs-S₂−GA−PVA 气凝胶沿 Z 方向（平行于层状结构）测量的吸声系数（SAC）和 (g) 噪声降低系数（NRC）。(h) 吸声性能对比图。(i) 不同极端温度下 MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶的吸声系数（SAC）。(j−o) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶作为吸声墙体材料的应用：(j−l) 模型房屋场景；(m−o) 模型水下航行器场景。图 6 气凝胶的 JCA 模型分析与吸声机理。(a) 30mm 厚度气凝胶的吸声系数（SAC）曲线（实验值与 JCA 模型预测值）。(b−d) (b) 密度 ρ、(c) 体积模量 K 和 (d) 声阻抗 Zₛ的实部与虚部图谱。(e) 比声阻抗 Zₛ/ρ₀c₀的相量图。(f) 沿 Z 方向测量的 “梯度孔循环（GPC）” 吸声机理示意图。图 7 S₂亚层木材微纤维 - 戊二醛 - 聚乙烯醇（MFs-S₂−GA−PVA）气凝胶的宏微结合模拟分析与吸声机理。(a) MFs-S₂−GA−PVA-3 气凝胶的宏微结合模型（长结构采用 “螺旋式” 表征）。(b) 基于区域分解的异步时间步并行超级计算策略。(c−e) 20mm 厚度气凝胶的吸声系数（SAC）曲线（实验值与模拟预测值）。(f−h) 绝对声压的模拟分布。(i−k) 阐释 MFs-S₂−GA−PVA-1、-3、-5 三种气凝胶吸声机理的示意图。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06002
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