同济大学杜艾/祝捷/刘宸团队 ACS AMI：通过简单挤压和常压干燥技术制备梯度结构复合气凝胶 - 实现宽频高效吸声

点击上方 “ 蓝字 ” 一键订阅

氧化硅气凝胶因其独特的微观结构而被认为是极具潜力 的 新 型 吸声材料 ，但其纳米尺寸 的孔洞和坚硬的表面不利于声波的耦合和损耗 。因此，目前 研究 大多集中在 气凝胶粉体的吸声 性能上。然而，气凝胶粉体的超临界干燥成本高昂，且封装工艺复杂，限制了氧化硅气凝胶在吸声领域的广泛应用。 如何 简化 气凝胶 的制备 工艺 ，以及如何增强其结构与 声波 的 耦合 与 吸收 能力 ，成为气凝胶吸声应用的关键科学问题。

近日， 同济大学物理科学与工程学院杜艾教授、 祝捷 教授 和刘宸博士团队 合作， 创新性地 开发 了一种 挤压 - 常压干燥工艺 （图 1 ），成功制备出 一种 具有 梯度结构 的复合气凝胶材料，并通过宏 - 微观表征手段（图 1 和图 2 ）验证了孔隙的梯度分布。 图 3 中 研 究 结果表明 ，气凝胶的梯度填充模式对 其 吸声性能具有决定性影响：当声波从大孔端入射时，样品展现出优异的宽频吸声特性（ 2000 Hz 以上平均吸声系数＞ 0.95 ， NRC=0.54 ），显著优于无气凝胶填充、全填充或小孔端入射的对照组。其性能提升机制可归结为以下两方面： 1 ） 梯度结构的声学协同效应 ：大孔端作为入射面优化了声波耦合效率 ，减少声 波的反射 ，使声能充分进入材料内部； 随着 梯度过渡至小孔端 ， 气凝胶层通过 其 纳米多孔结构的粘滞耗散与散射作用吸收 声波，有效解决 了 能量泄漏问题（ 见 图 4 中 COMSOL 仿真验证）； 2 ） 异质材料复合的多模式耗散 ：柔性 PMSQ 气凝胶与刚性泡沫骨架的界面耦合增强了声波 - 结构相互作用， 可能 激发 了 界面摩擦与 局域 共振等新型损耗机制。该研究不仅突破了传统氧化硅气凝胶在吸声领域应用的瓶颈，还通过材料 - 结构一体化设计实现了多功能拓展 。这种 梯度复合气凝胶在保持高吸声性能的同时， 还 兼具优异的力学强度与隔热特性（图 5 ），为多物理场耦合环境下的噪声 - 热协同管理提供了 一种 全新 的 解决方案，具有重要的应用价值。

图 1. 梯度复合气凝胶的制备流程及宏观表征

图 2. 梯度复合气凝胶微观形貌及孔径分布

图 3. 梯度复合气凝胶的吸声性能

图 4. 梯度复合气凝胶的声学模拟及原理解释

图 5. 梯度复合气凝胶的力学和热学性能

该工作以 “Ambiently Dried Aerogel-Foam Composites with Gradient Pore Structure for Enhanced Sound Absorption” 为题发表在《 ACS Applied Materials & Interfaces 》 期刊 上（ 2025, 17, 18759–18770 . ）。文章第一作者 为 同济大学硕士生 范才德 ，通讯作者为同济大学 刘宸 博士、 祝捷 教授和 杜艾 教授 。上海卫星工程研究所的杨金，以及同济大学杨建明博士、周斌教授、沈军教授对该研究做出了重要贡献，同济大学研究生芮美丽和史腾岩也参与了相关工作 。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基础研究基金 等多项课题 支持。

杜艾 教授团队长期专注 于气凝胶和 其它 物质（电磁波、声波、高速粒子等）相互作用 的研究领域。此次发表的成果是 该团队在气凝胶与声波相互作用 方向 的最新成果 。 此前，该团队 已在相关领域取得了进展，例如针对 PI/SiO ₂ 气凝胶 的 声衰减问题 展开 研究 （ RSC Adv. 2014 , 4 ， 58252-58259 ）， 为中船集团的相关应用提供了有利支持；此外，团队还创新性地提出了不均匀结构气凝胶的简化理论，借助 DLCA （扩散置限团簇凝聚）和 COMSOL 模拟技术构建“ 鱼骨 ” 模型 ， 对声波在二氧化硅 气凝胶 中的低声速 现象 进行了 半定量阐释 （ Adv. Compos. Hybrid Mater. 2021 , 4 ， 248-256 ）， 攻克了困扰气凝胶领域 近 三十年的 低声速难题。该工作不仅深化了对气凝胶与声波相互作用机制的理解，更为不均匀结构气凝胶在吸声隔声设计与应用方面奠定了基础。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.4c23072

相关进展

同济大学杨建明/杜艾/周斌 AFM：流变匹配策略实现超低储能模量墨水3D打印无添加气凝胶

同济大学杜艾、周斌团队 JMCA：聚酰亚胺气凝胶3D打印 - 用于隔热、透气和吸光的协同管理

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[email protected]

申请入群，请先加审核微信号 PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明： 高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业） ，否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。