学术前沿 | 具有定向孔结构的韧性和耐疲劳混合纤维气凝胶用于宽频段声波吸收

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-12-30 21:08

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气凝胶是一种轻质且高度多孔、具有网络结构的材料，在声波吸收领域得到了广泛应用。为了有效提升其声学性能，设计合适的孔结构至关重要。本研究提出了一种新型复合气凝胶（命名为ACQ），该气凝胶结合了芳纶纳米纤维（ANFs）、纤维素纳米纤维（CNFs）和石英纤维（QFs）以实现协同效应。通过精确控制这些三元组分的含量，ANFs和CNFs形成了定向通道，这些通道通过刚性QFs的穿透得到进一步增强。最终得到的超轻密度（5 mg/cm³）复合ACQ气凝胶展现出了卓越的宽频段声波吸收性能，平均声波吸收系数达到0.367。有限元仿真阐明了声学能量耗散机制，具体如下：（1）ANFs/CNFs形成的定向通道架构增强了声波的吸收，并有效阻止了其向外传播；（2）QFs的穿透显著增加了孔密度，导致声波在通道内发生多次反射和衍射；（3）声波引起的孔壁和QFs的振动将声学能量转化为热量，从而进一步增强了气凝胶的声波吸收能力。此外，复合ACQ气凝胶还表现出了优异的压缩弹性和耐疲劳性，在经历50次50%应变压缩循环后，仍保持90%的压缩强度保持率。这些发现突显了该气凝胶在航空航天、海洋和交通领域应用的良好前景。

成功制备了具有定向孔结构的超轻密度（5 mg/cm³）复合气凝胶，基于三种纤维的复合。纤维素纳米纤维（CNFs）和芳纶纳米纤维（ANFs）作为骨架和增强材料，建立了一个具有对齐通道的三维网络，而石英纤维（QFs）则穿透孔隙，进一步丰富了孔结构。所得气凝胶具有良好的宽频声学性能，表现为平均声波吸收系数为0.367。此外，有限元仿真揭示了声能转化为热能的耗散机制，涉及定向孔结构内的多次反射，导致孔壁和穿透纤维的振动变形，从而产生热粘性损失。进一步研究表明，该气凝胶具有卓越的压缩弹性和耐疲劳性，在经历50次50%应变循环后，仍能保持90%以上的压缩强度。它还表现出从-50°C到120°C的高低温机械稳定性。因此，本研究提出了一种具有独特定向孔结构的超轻气凝胶，具有优异的机械性能和声学性能，使其成为需要声学吸收的应用的理想候选材料。

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