利用增材制造實現超吸聲的具有層次可調孔隙結構的超疏水水泥

來源： SCI仿真工作室

噪音污染作為一種環(huán)境問題，會對人類健康和經濟產生重大的負面影響。為了解決這個問題，各種降低噪音的建筑材料已經被開發(fā)出來。然而，目前大多數降噪材料由于孔隙結構簡單，吸收帶較窄，限制了其在較寬頻率范圍內吸收聲能的能力。在這里，我們展示了一種水凝膠模板方法，并通過增材制造方法創(chuàng)建具有可調孔徑的分層結構水泥基材料。這種由水泥水化產生的微納米孔隙的分層可調結構的引入有助于形成多尺度孔隙(微孔、中孔和大孔)，在1000 Hz時實現0.89的吸聲系數，并確保寬帶吸聲性能(降噪系數為0.54，與傳統建筑吸聲材料相比提高了約50%)。同時，該輕質材料具有良好的抗壓強度(1.31 MPa)和超疏水性(水接觸角152.5◦)，導熱系數(0.088 W m−1 K−1)和優(yōu)異的耐火性。本研究為設計具有超強吸聲性能的水泥基材料提供了新的途徑。

本文將水凝膠模板法與增材制造相結合，提出了一種具有單層結構和分層結構的PCM的制備方法。采用實驗和模擬相結合的方法，討論了不同孔徑和不同孔徑分布對吸聲性能的影響。此外，還對其抗壓強度、耐火性能、導熱性能和疏水性進行了研究。實驗結果表明:

(1)分層結構吸聲性能優(yōu)于單層結構。分層(F) PCM具有最佳的寬帶吸聲性能(NRC = 0.54)，在1000 Hz處吸聲系數為0.89。由直徑為1.5 cm和0.3 cm的孔隙和水泥中多尺度孔隙(微孔、中孔和大孔)形成的梯度孔徑的分層(F) PCM增強了水泥的聲學性能。

(2)通過仿真驗證了實驗的有效性，并從聲壓分布的角度解釋了吸聲機理。當聲波進入分層(F) PCM時，大孔允許更多的聲波進入。同時，小孔隙具有更復雜的孔隙結構，可以更好地消散聲波，從而實現更好的吸聲。

(3)研究了層次化(F) PCM的力學性能、熱性能和耐久性，在寬帶吸聲條件下，該材料具有優(yōu)異的耐火性和良好的28天抗壓強度為1.31 MPa，導熱系數為0.88 W m−1 k−1。此外，分層(F) PCM的接觸角為152.5◦，實現了超疏水狀態(tài)。試驗結果表明，與非疏水改性水泥相比，疏水層次化(F) PCM經過數百次水沖后吸聲系數沒有下降，突出了其在潮濕環(huán)境中的吸聲耐久性。