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  氧化硅氣凝膠因其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是極具潛力的新型吸聲材料，但其納米尺寸的孔洞和堅(jiān)硬的表面不利于聲波的耦合和損耗。因此，目前研究大多集中在氣凝膠粉體的吸聲性能上。然而，氣凝膠粉體的超臨界干燥成本高昂，且封裝工藝復(fù)雜，限制了氧化硅氣凝膠在吸聲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。如何簡(jiǎn)化氣凝膠的制備工藝，以及如何增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)與聲波的耦合與吸收能力，成為氣凝膠吸聲應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

  近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院杜艾教授、祝捷教授和劉宸博士團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種擠壓-常壓干燥工藝（圖1），成功制備出一種具有梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠材料，并通過(guò)宏-微觀表征手段（圖1和圖2）驗(yàn)證了孔隙的梯度分布。圖3中研究結(jié)果表明，氣凝膠的梯度填充模式對(duì)其吸聲性能具有決定性影響：當(dāng)聲波從大孔端入射時(shí)，樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻吸聲特性（2000 Hz以上平均吸聲系數(shù)＞0.95，NRC=0.54），顯著優(yōu)于無(wú)氣凝膠填充、全填充或小孔端入射的對(duì)照組。其性能提升機(jī)制可歸結(jié)為以下兩方面：1）梯度結(jié)構(gòu)的聲學(xué)協(xié)同效應(yīng)：大孔端作為入射面優(yōu)化了聲波耦合效率，減少聲波的反射，使聲能充分進(jìn)入材料內(nèi)部；隨著梯度過(guò)渡至小孔端，氣凝膠層通過(guò)其納米多孔結(jié)構(gòu)的粘滯耗散與散射作用吸收聲波，有效解決了能量泄漏問(wèn)題（見(jiàn)圖4中 COMSOL仿真驗(yàn)證）；2）異質(zhì)材料復(fù)合的多模式耗散：柔性PMSQ氣凝膠與剛性泡沫骨架的界面耦合增強(qiáng)了聲波-結(jié)構(gòu)相互作用，可能激發(fā)了界面摩擦與局域共振等新型損耗機(jī)制。該研究不僅突破了傳統(tǒng)氧化硅氣凝膠在吸聲領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸，還通過(guò)材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多功能拓展。這種梯度復(fù)合氣凝膠在保持高吸聲性能的同時(shí)，還兼具優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度與隔熱特性（圖5），為多物理場(chǎng)耦合環(huán)境下的噪聲-熱協(xié)同管理提供了一種全新的解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖1. 梯度復(fù)合氣凝膠的制備流程及宏觀表征

圖2. 梯度復(fù)合氣凝膠微觀形貌及孔徑分布

圖3. 梯度復(fù)合氣凝膠的吸聲性能

圖4. 梯度復(fù)合氣凝膠的聲學(xué)模擬及原理解釋

圖5. 梯度復(fù)合氣凝膠的力學(xué)和熱學(xué)性能

  該工作以“Ambiently Dried Aerogel-Foam Composites with Gradient Pore Structure for Enhanced Sound Absorption”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（2025, 17, 18759–18770.）。文章第一作者為同濟(jì)大學(xué)碩士生范才德，通訊作者為同濟(jì)大學(xué)劉宸博士、祝捷教授和杜艾教授。上海衛(wèi)星工程研究所的楊金，以及同濟(jì)大學(xué)楊建明博士、周斌教授、沈軍教授對(duì)該研究做出了重要貢獻(xiàn)，同濟(jì)大學(xué)研究生芮美麗和史騰巖也參與了相關(guān)工作。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中央高�；A(chǔ)研究基金等多項(xiàng)課題支持。

  杜艾教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專注于氣凝膠和其它物質(zhì)（電磁波、聲波、高速粒子等）相互作用的研究領(lǐng)域。此次發(fā)表的成果是該團(tuán)隊(duì)在氣凝膠與聲波相互作用方向的最新成果。此前，該團(tuán)隊(duì)已在相關(guān)領(lǐng)域取得了進(jìn)展，例如針對(duì)PI/SiO₂氣凝膠的聲衰減問(wèn)題展開(kāi)研究（RSC Adv. 2014, 4，58252-58259），為中船集團(tuán)的相關(guān)應(yīng)用提供了有利支持；此外，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了不均勻結(jié)構(gòu)氣凝膠的簡(jiǎn)化理論，借助DLCA（擴(kuò)散置限團(tuán)簇凝聚）和COMSOL模擬技術(shù)構(gòu)建“魚(yú)骨”模型，對(duì)聲波在二氧化硅氣凝膠中的低聲速現(xiàn)象進(jìn)行了半定量闡釋 （Adv. Compos. Hybrid Mater.  2021, 4，248-256），攻克了困擾氣凝膠領(lǐng)域近三十年的低聲速難題。該工作不僅深化了對(duì)氣凝膠與聲波相互作用機(jī)制的理解，更為不均勻結(jié)構(gòu)氣凝膠在吸聲隔聲設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面奠定了基礎(chǔ)。

  原文鏈接https://doi.org/10.1021/acsami.4c23072