A*STAR姚奎《自然·通讯》：新型摩擦电复合纤维材料助力解决噪声难题

学术 2024-11-12 07:55 江苏

来自新加坡科技研究局材料科学与工程研究院（A*STAR， IMRE）和国立大学（NUS设计与工程学院机械工程系的研究团队最近提出了一种创新的吸音策略，有望更有效地解决长期存在的低频噪声污染问题。这项发表在《自然·通讯》上的研究，通过提高材料的低频噪声吸收能力，为改善现代社会在建筑、交通、工业设备等多个领域面临的严重噪音污染问题提供了新颖高效的解决方案。

图1 ｜ a 多孔纤维基摩擦电复合材料吸音结构宏观及微观示意图：声波引起两组纤维之间的相对运动，并在其重叠接触区域引发摩擦电效应。在此相互作用过程中产生的摩擦电荷通过引入的导电元素耗散，并最终转化为热能；b 吸声机制示意图；c 相邻纤维的相对运动引起两纤维之间的接触带电和静电感应；d 从能量转换角度解析利用摩擦电效应降噪吸声的“机械-电-热转换”机理。

噪声污染及对健康的影响

噪音污染在现代社会中无处不在，已经成为一种严重的健康隐患，影响着人类和生物的健康。世界卫生组织（WHO）将超过65分贝的噪音定义为噪声污染。研究表明，长期暴露在高噪音水平下不仅会带来心理上的烦扰，还可能直接或间接导致听觉损伤、失眠、压力激素水平上升、炎症反应，甚至引发心血管疾病。因此，探索有效的噪声缓解方案已成为全球公共卫生的重要议题。

摩擦电能量消散：吸收噪声的新途径

低频噪声，尤其是频率在千赫兹及以下的人工活动噪声，由于其波长长，往往需要使用厚重的吸音材料来实现有效的吸音或隔音效果。传统的吸音材料大多通过将声波的机械能直接转化为热能，而这种机制在处理低频噪声时效果有限。团队提出的吸音策略利用了原位摩擦起电与电能耗散机制，将部分声波能量转换为电能再转化为热能原位消散。这种额外的无源原位“机-电-热转化”模式增强了材料的低频吸音性能，降低了对传统厚重声学吸收材料结构的要求，也不依赖任何电路或电极布置。与现有的摩擦起电能量采集应用不同，这一摩擦电消散策略在吸音上的应用只涉及材料内部的被动式电能消耗，不需要任何外在的电荷采集、存储或传输操作和装置，极大地提高了能量转换的利用效率。理论上，这种吸音模式的能量转化效率在极端情形下有接近100%的潜力。

声阻抗模型的建立与实验验证

在设计上，研究团队通过建立声学阻抗模型，全面分析了摩擦电消散机制在吸音中的作用。该模型基于机械-声学类比，从理论上揭示了局部摩擦电效应及关键参量在吸音过程中的贡献。理论分析和实验结果表明，选用电荷亲和性差异大的材料组合如聚丙烯（PP）/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚丙烯（PP）/聚偏二氟乙烯（PVDF），玻璃纤维（GW）/聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚氨酯（PU）/聚偏二氟乙烯PVDF等，并适量引入导电成分的复合材料能够显著提升摩擦电效应，从而提升吸音效果。在最佳设计条件下，研究团队实现了0.66的噪声降低系数（NRC），比未使用摩擦电效应的泡沫材料提高了24.5%。

在低频噪声吸收的难题上，这一新材料设计策略展示了卓越的性能。例如，实验显示这种摩擦电复合纤维材料在800 赫兹以上的可听频率范围内吸音系数超过0.8，甚至在1.4 kHz以上接近1.0，显著优于市售的普通吸音产品。引入了导电成分的PP/PVDF、GW/PVDF和PU/PVDF复合材料的吸音性能与无摩擦电消散机制的情况相比分别提高了22.6%、50.6%和43.6%，显示出广泛适用性。

实用前景与影响

通过结合原位摩擦电和导电机制，这种新型吸音材料展现了显著的低频吸音性能。它不仅在结构上更为轻便，还能在更广的频率范围内实现出色的降噪效果，为建筑、交通工具和工业降噪提供了可扩展的高效方案。这一摩擦电被动式吸音材料不需要任何外在的电学系统，使用简便、成本低廉，在城市基础设施、汽车机舱内饰设计等多个领域具有显著的市场应用潜力。

相关论文的共同第一作者是新加坡国大（NUS）和新科研（A*STAR）联合培养的博士生李菁澄，新科研科学家Yasmin Mohamed Yousry，共同通讯作者是国大Seeram Ramakrishna教授和新科研高级首席科学家姚奎。其他作者包括新科研高级工程师Lim Poh Chong.

来源：高分子科学前沿

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