航空业的快速发展给人们的生活带来了极大的便利，然而，不断提高的飞行速度和装载能力使航空噪声污染日益严重。因此，高效降噪技术对于消除航空噪声至关重要。然而，由于高强度（>70 dB）、宽频带（通常为250~6000 Hz）和高噪声源温度（甚至>1000°C）等复杂特性，难以有效治理航空噪声。传统的航空降噪技术（设备创新或改进飞行程序）存在效率低、技术难度大、成本高等缺陷。因此，需要大力开发耐高温、吸声带宽、重量轻、高效降噪的先进吸声材料。陶瓷纳米纤维气凝胶以其无机微结构稳定、孔隙率超高、多孔结构相互连接、密度/厚度可调等优点引起了航空航天领域的广泛关注。然而，与纳米纤维气凝胶相关的关键问题是其完全开放的大孔结构在传播过程中会传输大量噪声波，从而限制了低频噪声的吸收。因此，在纳米纤维气凝胶中有效构建谐振腔结构依然极具挑战性。
随着交通运输业的快速发展，交通噪音污染问题日益严重，已成为全球经济、生态环境和人类健康的潜在杀手。根据世界卫生组织的数据，全球有超过4.66亿人患有致残性听力损失，而致残性听力损失主要是由暴露于噪音引起的，这使得每年造成的经济损失超过7500亿美元。由于纤维材料的多孔结构和弯折通道可以增强声波的摩擦和耗散，现已有许多使用纤维材料作为噪声吸收器核心部件的报道，也表现出良好的高频（通常>1000 Hz）吸收性能。
鉴于此，东华大学俞建勇院士团队丁彬教授、张世超研究员报道了一种稳健的策略，通过气泡辅助冷冻铸造技术制造具有级联共振腔的柔性陶瓷纳米纤维气凝胶（FCNA）。该气凝胶由柔性二氧化硅纳米纤维（SNF）、软蒙脱石（MMT）纳米片和硅溶胶组装而成，稳定铰接共振腔结构赋予气凝胶不随温度变化的可压缩性（-196至1100°C）和可弯曲性，承受1000次屈曲循环而不断裂，并且在1000次循环压缩后仅显示5%的塑性变形。更重要的是，谐振效应和粘性耗散效应的巧妙结合赋予了FCNA良好的全频噪声吸收性能（降噪系数或NRC在63-6300 Hz时高达0.66）。这种柔性陶瓷纳米纤维气凝胶的合成为各领域高效吸音材料的设计提供了一个多功能平台。相关工作以“Bubble Templated Flexible Ceramic Nanofiber Aerogels with Cascaded Resonant Cavities for High-Temperature Noise Absorption”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。
FCNA的制备和级联谐振腔结构
FCNA的制造过程如图1所示，起始材料主要包括二氧化硅纳米纤维、MMT纳米片、吐温80、聚丙烯酰胺（PAM）和硅溶胶。SEM显示FCNA的分层微观结构：级联谐振结构、单位谐振腔 (10-50 μm) 和稳定铰链点。作者指出，该策略结合了气泡模板形成的快速性和冷冻铸造的可扩展性，从而可以快速、简单、可控地制备FCNA，突出了其大规模制备的可行性。稳定的铰链腔结构赋予了FCNA良好的弯曲性能，一条FCNA可以缠绕在一根细铁棒上，这是传统陶瓷气凝胶无法做到的。由于陶瓷纳米纤维和纳米片的陶瓷特性，FCNA还可以承受高达1100 °C的高温火焰而不会损坏，显示出其强大的耐火性。在FCNA的制备过程中，在分散体中巧妙地原位引入了稳定的气泡模板，泡模板均匀地分散在纳米纤维/纳米片分散体中，纳米纤维和纳米片紧密地锁在气泡之间（图2）。
FCNA的机械性能
与传统陶瓷材料的硬脆性质相反，FCNA表现出强大的柔韧性、弹性和抗弯曲性。作者进一步测试了大应变（60%）下的循环屈曲恢复性能（图3）。即使经过1000次屈曲恢复测试，FCNA仍能恢复到初始位置，表现出良好的循环弯曲性能。FCNA的最大屈曲应力在1000次弯曲循环后仍保留超过92%的初始应力，突出了其强大的结构稳定性。稳定的铰接腔结构还赋予FCNA强大的抗压缩疲劳性。此外，FCNAs还表现出良好的抗拉伸变形能力，其拉伸断裂应力和应变分别为7.1 kPa和10.6%。热重分析表明，从室温到1100°C，FCNA的重量仅下降了4.1%，突出了它们良好的热稳定性。
FCNA的吸声性能
作者测试了FCNA在室温（25°C）和高温（1100°C）下的实际噪声吸收能力（图4）。将FCNAs和市售的30mm厚的主流纤维毡分别放入吸音装置中，然后从样品的左端传出~80dB的白噪声；同时，分别实时监测通过两个样品后的分贝值。令人惊讶的是，通过FCNAs后，白噪声降低了26.5 dB，而纤维毡仅降低了11.2 dB，证明了我们的FCNAs良好的降噪性能。此外，为了模拟高温条件下的实际航空发动机噪声吸收，现场测试了FCNA在高温火焰（1100°C）下的降噪性能。FCNA可以将空气压缩机的噪音降低到63.9 dB，同时在高温火焰下保持结构完整，而纤维毡与火焰接触后迅速燃烧，没有降噪能力。这些结果表明FCNA可以作为一种坚固的高温吸音材料，具有多种潜在应用，例如交通降噪、工业降噪和建筑降噪。
小结：作者开发了一种通过集成柔性陶瓷纳米纤维、软蒙脱石纳米片和硅溶胶胶来构建具有级联谐振腔的柔性陶瓷纳米纤维气凝胶的简便方法。级联共振腔和相互连接的纤维网络的综合优势使柔性陶瓷纳米纤维气凝胶具有不随温度变化的全频噪声吸收性能（在63-6300Hz时降噪系数高达0.66）。这种具有级联谐振腔的柔性陶瓷纳米纤维气凝胶的开发将为航空吸音材料开辟一条道路，特别是在极端温度下有效降噪。
