Advanced Materials:增材制造变形可恢复宽带吸声微晶格

在危害人类健康的众多日常危害中,噪声污染是可以通过一定工程方法而避免的危害之一。事实上,噪声污染是一种对健康危害极大的日常危害,日常交通、办公、建筑工地、购物中心和娱乐行业的噪音在任何时候都无处不在。吸声器,如传统上使用的穿孔板,在近年得到广泛应用。尽管如此,现代产品设计要求材料新、性能强和功能多,但部分结构/材料不具备多功能或者不具备可重复使用的能力。近年来,增材制造出现为材料尺度下设计吸收器带来更多可能。增材制造除了作为一种有效的快速成型工具和一种可行的制造路线、允许高产品设计自由度外,还成为一种以物理为动力的材料设计途径。

新加坡国立大学ZHAI Wei团队与新加坡科技局高性能计算研究院YU Xiang合作开发了一种变形可恢复的宽带吸声微晶格,兼具声能吸收和抗冲击性。文中重新探讨了穿孔板的传统概念,并将其与增材制造相结合。在这项工作中,采用自下而上的方法,将共振的功能概念结合到吸声微晶格的设计中。设计的微晶格然后通过数字光处理(DLP)使用坚硬的聚合物材料进行3D打印。通过对异质胞元结构上的有效传输阻抗进行优化,优化后的微晶格具有优异的宽带吸收特性。在1000至6300 Hz的宽频率范围内,实验表明平均吸收系数为0.77。大量模拟和实验表明,吸收机制基于粘性流、热阻尼和结构阻尼耗散,而其宽带能力基于串联工作的共振模式。

图1:HPAA及其吸声特性的图示。

文中提出了三种声能吸收模式:i)共振粘性流和空气分子的摩擦;ii)来自气流热量和热边界层;以及iii)结构阻尼。当设计主要基于共振粘性流时,差异主要在于微晶格结构的额外热和阻尼贡献。由于微晶格结构,HPAA还具有高韧性的能量吸收能力。由于基材的粘弹性和支柱设计,微晶格也具有高度可回收性和可重复使用性,压缩应变高达30%,在0.37 g·cm−3的低密度下具有360 kPa的高初始强度.五次压缩循环后,由于具有变形可恢复的能力,吸声性能仍然稳定在较高水平。

图2:HPAA 的粘性流损失、热阻尼和结构阻尼耗散吸声机制示意图。
图3:HPAA的压缩可恢复性图示。

总的来说,所提出的微晶格克服了传统吸收体中常见的力学、声学性能耦合下的失衡。该研究为开发新一代多功能声-力超材料提供了新的设计理念和更多可能性,并提出了一种新的范式:使用现有方法重新审视旧概念并开发新材料。相关研究已发表在Advanced Materials上,第一作者为LI Xinwei博士,合作者为YU Xiang研究员,通讯作者为ZHAI Wei助理教授。

论文信息:

Additively Manufactured Deformation-Recoverable and Broadband Sound-Absorbing Microlattice Inspired by the Concept of Traditional Perforated Panels.

Xinwei Li, Xiang Yu, Wei Zhai*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202104552

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104552

原创署名:李振东