噪音污染已成为现代城市环境和工业生态中不可忽视的公共卫生挑战,其广泛存在于建筑和交通等领域。低频噪声由于波长长，穿透性强等固有性质不易被衰减。由于质量定律的限制，传统隔声材料要实现对低频噪声的高隔声性能不可避免的需要增加重量，这与工业应用中对轻量化的要求相矛盾。而传统的轻质材料和结构在低频波段不具备隔音性能，且机械性能较差。因此低频噪声的衰减始终是一项具有挑战的任务。
针对上述难题，西安理工大学汤玉斐教授团队受人工周期结构的超材料启发，提出了一种简单，可扩展的策略，获得了轻质高强的类材料结构的聚脲气凝胶。相关成果以“Self-reactive, in-situ generated PUA aerogels: Synergistic low-frequency noise attenuation via metamaterial-like structures and dynamically variation of acoustic impedance”为题，发表于材料科学领域顶刊Chemical Engineering Journal，2025: 168465。论文第一作者为西安理工大学博士生郑婉星，通讯作者为西安理工大学汤玉斐教授，合作者还包括西安理工大学赵康教授。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168465
图1 类超材料结构聚脲气凝胶的构建。(a)任意尺寸的类超材料结构PUA气凝胶的大规模制备，(b) 低密度类超材料结构PUA气凝胶可立于牡丹花和单片牡丹花瓣上，(c) 弯曲类超材料PUA气凝胶展示其柔韧性，(d) 通过 400 克重物诱导的压缩变形，类超材料结构PUA气凝胶的承载能力优于 MFF(一种商业多孔材料的代表)，(e)不同十二烷基硫酸钠添加量的PUA气凝胶的傅里叶变换红外光谱，(f)纯PUA气凝胶的扫描电子显微镜图像，(g) PUA-1%SDS，(h) PUA-2%SDS，(i) 不同十二烷基硫酸钠添加量的PUA气凝胶的孔隙分布，(j, k , l) PUA- 1%SDS 的放大视图展示了类超材料PUA气凝胶的多孔腔和纤维拓扑骨架。
图2 类超材料结构聚脲气凝胶的低频隔声性能。(a)基于阻抗管的测量系统示意图，(b)通过 PUA 气凝胶的残余噪声与原始噪声的声压级对比，(c)PUA 气凝胶在 45-6400 赫兹全频段的声传输损失，(d)PUA 气凝胶在 45-1700 赫兹频段的声传输损失，(e)100-500 赫兹范围内 PUA 气凝胶 1/3 倍频程频率的声传输损失，(f)PUA 气凝胶的表面声阻抗，(g)循环声传输损失曲线，(h)类超材料 PUA 气凝胶与其他已报道的声学气凝胶在不同频率下的声传输损失对比。
图3 类超材料结构聚脲气凝胶的隔声机理示意图
图4 类超材料结构聚脲气凝胶的隔热性能。(a)在 145℃加热平台上 PUA 气凝胶的温度-时间曲线，(b)PUA 气凝胶顶面随时间变化的红外图像，(c)十二烷基硫酸钠负载量对 PUA 气凝胶平均稳态温度和热导率的影响，(d)类超材料结构 PUA 气凝胶的热传递机制，右上角的插图是PUA-1% SDS 前表面随时间变化的红外图像。
图5 类超材料结构聚脲气凝胶的力学性能。(a)PUA气凝胶的压缩应力-应变曲线以及(b)其压缩强度和杨氏模量，(a)图中的插图是 PUA 气凝胶在 40% 变形时的应力-应变曲线。(c)PUA 气凝胶的弯曲应力-直径偏转曲线以及(d)其弯曲强度和弯曲模量，(c)图中的插图是 PUA 气凝胶在三点弯曲测试中的照片，夹具跨度为 50 毫米，PUA 气凝胶的厚度、宽度和长度分别为 5 mm、6 mm和 50-60 mm。(e)PUA 气凝胶的拉伸应力-应变曲线以及(f)其拉伸强度和拉伸模量，(g)10×10×2 cm的类似超材料的 PUA 气凝胶板能够承受 50 kg成年女性或 65 kg成年男性的重量而不变形。
图6PUA 气凝胶机械性能机制示意图。
图 7 类超材料结构聚脲声学屏障的概念验证。(a)使用红外灯作为热源的隔热测量装置示意图，(b)隔热箱内部和外部在频繁暴露于红外光下的温度响应，(c)类超材料结构PUA气凝胶声屏障在实际应用中的原型测试示意图，(d 和 e)以白噪声为声源时的声衰减性能，(f 和 g)以 100 赫兹低频噪声为声源时的声衰减性能，(g)中的插图是 0 至 500 赫兹范围内的频率-声强曲线，(h 和 i)以 250 赫兹低频噪声为声源时的声衰减性能，(i)中的插图是 0 至 1250 赫兹范围内的频率-声强曲线，(j 和 k)以 400 赫兹低频噪声为声源时的声衰减性能，(k)中的插图是 0 至 2000 赫兹范围内的频率-声强曲线，(l 和 m)使用建筑噪声时有或无类超材料结构PUA气凝胶声屏障的声衰减性能，(n)类超材料结构PUA气凝胶与其他已报道的声学气凝胶的综合性能比较。
来源：材料科学与工程公众号。感谢论文作者团队支持。
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