利用增材制造实现超吸声的具有层次可调孔隙结构的超疏水水泥

来源： SCI仿真工作室

噪音污染作为一种环境问题，会对人类健康和经济产生重大的负面影响。为了解决这个问题，各种降低噪音的建筑材料已经被开发出来。然而，目前大多数降噪材料由于孔隙结构简单，吸收带较窄，限制了其在较宽频率范围内吸收声能的能力。在这里，我们展示了一种水凝胶模板方法，并通过增材制造方法创建具有可调孔径的分层结构水泥基材料。这种由水泥水化产生的微纳米孔隙的分层可调结构的引入有助于形成多尺度孔隙(微孔、中孔和大孔)，在1000 Hz时实现0.89的吸声系数，并确保宽带吸声性能(降噪系数为0.54，与传统建筑吸声材料相比提高了约50%)。同时，该轻质材料具有良好的抗压强度(1.31 MPa)和超疏水性(水接触角152.5◦)，导热系数(0.088 W m−1 K−1)和优异的耐火性。本研究为设计具有超强吸声性能的水泥基材料提供了新的途径。

本文将水凝胶模板法与增材制造相结合，提出了一种具有单层结构和分层结构的PCM的制备方法。采用实验和模拟相结合的方法，讨论了不同孔径和不同孔径分布对吸声性能的影响。此外，还对其抗压强度、耐火性能、导热性能和疏水性进行了研究。实验结果表明:

(1)分层结构吸声性能优于单层结构。分层(F) PCM具有最佳的宽带吸声性能(NRC = 0.54)，在1000 Hz处吸声系数为0.89。由直径为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)形成的梯度孔径的分层(F) PCM增强了水泥的声学性能。

(2)通过仿真验证了实验的有效性，并从声压分布的角度解释了吸声机理。当声波进入分层(F) PCM时，大孔允许更多的声波进入。同时，小孔隙具有更复杂的孔隙结构，可以更好地消散声波，从而实现更好的吸声。

(3)研究了层次化(F) PCM的力学性能、热性能和耐久性，在宽带吸声条件下，该材料具有优异的耐火性和良好的28天抗压强度为1.31 MPa，导热系数为0.88 W m−1 k−1。此外，分层(F) PCM的接触角为152.5◦，实现了超疏水状态。试验结果表明，与非疏水改性水泥相比，疏水层次化(F) PCM经过数百次水冲后吸声系数没有下降，突出了其在潮湿环境中的吸声耐久性。