汕头大学刘庆先Adv. Sci.：孔隙重构增强商用泡沫的吸声性能

摘要：噪声污染是一个紧迫的环境问题，对人类身心健康造成一系列不良影响。具有微孔或通道的结构能通过壁面摩擦、粘滞阻力和热传导机制将声能转化为热能耗散掉，是抑制噪声传播的成熟候选。然而，根据耗散理论，普通多孔结构的声吸收效果有限，特别对< 2kHz的低频噪声。增加材料厚

噪声污染是一个紧迫的环境问题，对人类身心健康造成一系列不良影响。具有微孔或通道的结构能通过壁面摩擦、粘滞阻力和热传导机制将声能转化为热能耗散掉，是抑制噪声传播的成熟候选。然而，根据耗散理论，普通多孔结构的声吸收效果有限，特别对

近日，汕头大学刘庆先博士提出了一种利用多壁碳纳米管（MWCNTs）重构商用泡沫孔隙的策略。该方法不仅将原始泡沫的单一微米级孔转变为多尺度复合孔，提高了比表面积，同时维持了基材的高孔隙、高连通、低密度和厚度。得益于优化的多孔结构以及MWCNTs独特的声共振特性，这种复合泡沫在宽频范围内的吸声性能实现了大幅提升。相关成果以“Enhanced Broadband Acoustic Absorption in Commercial Foam via Multiwall Carbon Nanotube-Induced Pore Reconstruction”为题发表于国际知名综合类期刊《Advanced Science》。

该工作中，首要挑战在于如何应对MWCNTs团聚导致堵塞基材孔隙这一潜在风险。为此，研究者采取了双重措施。一是通过工艺优化使MWCNTs在水相中有效分散，确保其在基材中的分布均匀。二是采用冷冻干燥促使冰晶直接升华，帮助MWCNTs彼此分离而形成多尺度孔隙。基于此，所得三聚氰胺/MWCNTs复合泡沫不仅保留了基材的高孔隙率、低密度和初始厚度，还实现了多尺度孔隙结构和显著增加的比表面积。此外，该工艺全程以水为溶剂，避免使用有机溶剂，体现了绿色环保理念，符合可持续发展的产业需求。

图1、MWCNTs重构商业泡沫孔隙的工艺流程与结构表征

孔隙重构后，复合泡沫的吸声系数较初始三聚氰胺泡沫有了显著提升。特别是在4000-6300 Hz的高频段，10 mm厚的样品吸声系数就能达到95%。在中高频范围（1300-6300 Hz），其平均吸声系数也达到~70%，比初始泡沫提高196.5%。增加复合泡沫的厚度可以进一步提高其低频吸声能力。例如，当厚度增加到 20 mm，它在500-1000 Hz的平均吸声系数达到44.3%，比10 mm厚的样品提高了65.3%。在相当厚度下，该复合吸收器的吸收系数比常见商用玻璃棉、橡胶棉和纤维聚酯毡等都要高，展现出可能的商用潜力。此外，由于分散剂的粘附性和商用三聚氰胺泡沫高的机械稳定性，复合泡沫在复杂变形和环境下仍能表现出稳定吸声能力。不仅如此，这种孔隙重建是一种通用的方法，对基材的形貌（如凹槽、三角形和波浪型）和原材料（陶瓷、镍和木材）均表现出很强的适应性，以满足各种应用的特定声学控制要求。