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  氧化硅氣凝膠因其獨特的微觀結構而被認為是極具潛力的新型吸聲材料，但其納米尺寸的孔洞和堅硬的表面不利于聲波的耦合和損耗。因此，目前研究大多集中在氣凝膠粉體的吸聲性能上。然而，氣凝膠粉體的超臨界干燥成本高昂，且封裝工藝復雜，限制了氧化硅氣凝膠在吸聲領域的廣泛應用。如何簡化氣凝膠的制備工藝，以及如何增強其結構與聲波的耦合與吸收能力，成為氣凝膠吸聲應用的關鍵科學問題。

  近日，同濟大學物理科學與工程學院杜艾教授、祝捷教授和劉宸博士團隊合作，創新性地開發了一種擠壓-常壓干燥工藝（圖1），成功制備出一種具有梯度結構的復合氣凝膠材料，并通過宏-微觀表征手段（圖1和圖2）驗證了孔隙的梯度分布。圖3中研究結果表明，氣凝膠的梯度填充模式對其吸聲性能具有決定性影響：當聲波從大孔端入射時，樣品展現出優異的寬頻吸聲特性（2000 Hz以上平均吸聲系數＞0.95，NRC=0.54），顯著優于無氣凝膠填充、全填充或小孔端入射的對照組。其性能提升機制可歸結為以下兩方面：1）梯度結構的聲學協同效應：大孔端作為入射面優化了聲波耦合效率，減少聲波的反射，使聲能充分進入材料內部；隨著梯度過渡至小孔端，氣凝膠層通過其納米多孔結構的粘滯耗散與散射作用吸收聲波，有效解決了能量泄漏問題（見圖4中 COMSOL仿真驗證）；2）異質材料復合的多模式耗散：柔性PMSQ氣凝膠與剛性泡沫骨架的界面耦合增強了聲波-結構相互作用，可能激發了界面摩擦與局域共振等新型損耗機制。該研究不僅突破了傳統氧化硅氣凝膠在吸聲領域應用的瓶頸，還通過材料-結構一體化設計實現了多功能拓展。這種梯度復合氣凝膠在保持高吸聲性能的同時，還兼具優異的力學強度與隔熱特性（圖5），為多物理場耦合環境下的噪聲-熱協同管理提供了一種全新的解決方案，具有重要的應用價值。

圖1. 梯度復合氣凝膠的制備流程及宏觀表征

圖2. 梯度復合氣凝膠微觀形貌及孔徑分布

圖3. 梯度復合氣凝膠的吸聲性能

圖4. 梯度復合氣凝膠的聲學模擬及原理解釋

圖5. 梯度復合氣凝膠的力學和熱學性能

  該工作以“Ambiently Dried Aerogel-Foam Composites with Gradient Pore Structure for Enhanced Sound Absorption”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（2025, 17, 18759–18770.）。文章第一作者為同濟大學碩士生范才德，通訊作者為同濟大學劉宸博士、祝捷教授和杜艾教授。上海衛星工程研究所的楊金，以及同濟大學楊建明博士、周斌教授、沈軍教授對該研究做出了重要貢獻，同濟大學研究生芮美麗和史騰巖也參與了相關工作。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中央高校基礎研究基金等多項課題支持。

  杜艾教授團隊長期專注于氣凝膠和其它物質（電磁波、聲波、高速粒子等）相互作用的研究領域。此次發表的成果是該團隊在氣凝膠與聲波相互作用方向的最新成果。此前，該團隊已在相關領域取得了進展，例如針對PI/SiO₂氣凝膠的聲衰減問題展開研究（RSC Adv. 2014, 4，58252-58259），為中船集團的相關應用提供了有利支持；此外，團隊還創新性地提出了不均勻結構氣凝膠的簡化理論，借助DLCA（擴散置限團簇凝聚）和COMSOL模擬技術構建“魚骨”模型，對聲波在二氧化硅氣凝膠中的低聲速現象進行了半定量闡釋 （Adv. Compos. Hybrid Mater.  2021, 4，248-256），攻克了困擾氣凝膠領域近三十年的低聲速難題。該工作不僅深化了對氣凝膠與聲波相互作用機制的理解，更為不均勻結構氣凝膠在吸聲隔聲設計與應用方面奠定了基礎。

  原文鏈接https://doi.org/10.1021/acsami.4c23072