利用增材制造實現(xiàn)超吸聲的具有層次可調(diào)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(jīng)濟產(chǎn)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(jīng)被開發(fā)出來。然而，目前大多數(shù)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(nèi)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(diào)孔徑的分層結構水泥基材料。這種由水泥水化產(chǎn)生的微納米孔隙的分層可調(diào)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(xiàn)0.89的吸聲系數(shù)，并確保寬帶吸聲性能(降噪系數(shù)為0.54，與傳統(tǒng)建筑吸聲材料相比提高了約50%)。同時，該輕質(zhì)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(shù)(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(shù)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(xiàn)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(shù)為0.88 W m−1 k−1。此外，分層(F) PCM的接觸角為152.5◦，實現(xiàn)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(jīng)過數(shù)百次水沖后吸聲系數(shù)沒有下降，突出了其在潮濕環(huán)境中的吸聲耐久性。