مع تطور صناعة النقل، أصبح تلوث ضوضاء المرور مشكلة خطيرة، والتي أصبحت قاتلًا محتملًا للاقتصاد العالمي والبيئة الإيكولوجية وصحة الإنسان. نظرًا لأن البنية المسامية والقناة المنحنية لمواد الألياف يمكن أن تعزز الاحتكاك وتبديد الموجات الصوتية، فقد استخدم العديد من الباحثين مواد الألياف كمكون أساسي لامتصاص الضوضاء. ومع ذلك، نظرًا للقيود المتأصلة لقطر الألياف الكبير والمسامية المنخفضة، فمن الصعب أن تتمتع مواد تقليل الضوضاء بالألياف التقليدية بأداء امتصاص عالي للضوضاء منخفضة التردد التي تولدها المركبات بسهولة. إذا تم زيادة سمك أو كثافة مادة الألياف، فسيكون وزن المادة كبيرًا، وسيزداد استهلاك الطاقة، وهو ما يتعارض مع مفهوم الأخضر ومنخفض الكربون. كما أن مواد تقليل الضوضاء البوليمرية الشائعة لديها مقاومة ضعيفة للحرارة، مما يؤدي ليس فقط إلى فشل تحلل المواد، بل وحتى التسبب في مشاكل السلامة.

من أجل حل المشكلات المذكورة أعلاه، اقترح البروفيسور جيانيونج يو وفريقه من جامعة دونغهوا تحضير إسفنجة ألياف نانوية سيراميكية مرنة (FCNSs) ذات بنية تشابك طبقية فريدة مكونة من ألياف نانوية SiO2 مرنة (SNF) وأكسيد الجرافين المختزل (rGO) من خلال الجمع بين تقنية التجفيف بالتجميد الاتجاهي وتقليل الأسكوربات. من أجل تلبية متطلبات مواد امتصاص الصوت المروري لأداء تقليل الضوضاء والاستقرار الهيكلي ومقاومة الحرارة، تم اختيار SNF المرنة ذات الاستقرار الحراري الجيد كأساس لبناء هيكل إطار الألياف. في الوقت نفسه، تم اختيار صفائح نانوية مرنة ثنائية الأبعاد من GO كمواد لاصقة ومانعات مسامية كبيرة لإنشاء تشابكات فعالة بين SNF وحجب المسام في جدار الألياف. أخيرًا، تم تصميم هيكل تجميع الساندويتش لتحقيق التبديد المتعدد للموجات الصوتية ذات النطاق العريض. على عكس الطرق السابقة لإعداد مواد تقليل الضوضاء، فإن التحضير البسيط لـ SNF جنبًا إلى جنب مع مرونة تقنية التجفيف بالتجميد الاتجاهي يجعل FCNS سهل التحضير وقابل للتعديل الهيكلي.

التصميم الهيكلي وتسلسل FCNSs

ترتبط الخصائص الميكانيكية لـ FCNSs ارتباطًا وثيقًا بمحتوى SNFs وGO، وقد وجد أن FCNS70 (محتوى OF SNF: GO 10:7) يتمتع بالاستقرار الهيكلي المطلوب. يمنح هيكل التشابك الفريد FCNS أداءً ممتازًا للانبعاج ويمكنه تحمل تشوه الانبعاج الكبير (80٪) دون كسر. أظهر FCNS70 أيضًا أداءً جيدًا للانبعاج الدوري، حيث احتفظ بأكثر من 70٪ من أقصى إجهاد أولي بعد 1000 دورة من الانبعاج الدوري. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت FCNSs مقاومة التعب الانضغاطي المطلوبة، حيث بلغ التشوه البلاستيكي لـ FCNS70 4.3٪ فقط بعد 1000 دورة من الضغط تحت إجهاد كبير (60٪). بالإضافة إلى ذلك، تجمع FCNSs بين الخصائص الهيكلية للمواد البوليمرية ومقاومة درجات الحرارة العالية للسيراميك، مما يُظهر مرونة لزوجة مستقرة ومرونة فائقة في درجات حرارة محيطة مختلفة.

الخصائص الميكانيكية لـ FCNSs

تم استخدام نموذج جونسون-شامبوكس-ألارد لتوجيه وتحسين تصميم FCNS، واستكشاف تأثير المعلمات الصوتية على أداء امتصاص الصوت لـ FCNS، وتصميم المعلمات الهيكلية لـ FCNS بشكل أكبر لتحقيق امتصاص ضوضاء واسع النطاق. تم إنشاء هيكل شطيرة مع اتجاه سمك FCNS بشكل أكبر لتعزيز مسار الانعكاس متعدد المراحل للموجات الصوتية داخل المادة بشكل فعال، وبالتالي زيادة تبديد طاقة الصوت بنجاح، مما يُظهر امتصاصًا عاليًا للضوضاء (NRC 0.56) وخفة فائقة (280.8 جم / م 2).

تطبيقات امتصاص الضوضاء لـ FCNS الساندويتش

تكسر هذه الطريقة عنق الزجاجة المتمثل في امتصاص الترددات المنخفضة لممتص الضوضاء التقليدي وتوفر فكرة أوسع لتطوير مواد فعالة لتقليل الضوضاء. البحث ذو الصلة بعنوان إسفنجات نانوية خزفية مرنة مع شبكات الجرافين المتشابكة هرميًا تمكن الضوضاء. تم نشر عنوان الامتصاص في مجلة Nature Communications.