多级孔隙芳纶纳米纤维气凝胶的制备及降噪隔热性能研究

编号：NMJS09512

篇名：多级孔隙芳纶纳米纤维气凝胶的制备及降噪隔热性能研究

作者：鄢然

关键词： 芳纶纳米纤维气凝胶; 多级孔隙; 降噪隔热性能; 四针状氧化锌晶须; 纤维素;

机构： 中国民用航空飞行学院

摘要： 飞机产生的噪声不仅会影响飞机的机械结构稳定性和仪器设备的精度,还可能会对机组人员和乘客的身心健康造成严重不良影响,已成为不可忽视的问题。芳纶纳米纤维气凝胶是一种新型的多孔材料,其具有的高孔隙率和较大的比表面积可以为声波在传播过程中提供更复杂的传播路径和更大的空气摩擦面积,在飞机的降噪隔热领域展现出巨大潜力。四针状氧化锌晶须是一种力学性能十分优异的新型复合材料补强增韧剂,常用于材料的力学性能增强。本论文在碱溶法的基础上研究的水包空气乳液冷冻铸造工艺,可以有效优化芳纶纳米纤维气凝胶的孔隙结构,显著提升其吸声降噪性能。再通过添加四针状氧化锌晶须对其微观结构进行增强设计,可以改善材料的力学强度与隔热保温性能,制备出一种兼具优异吸声降噪性能,隔热性能和力学性能的多功能芳纶纳米纤维复合气凝胶,并为高性能航空降噪材料的开发提供坚实的理论基础与实验支持。 本文的主要研究内容如下: (1)以芳纶纳米纤维为基体材料,利用水包空气乳液冷冻铸造工艺制备芳纶纳米纤维气凝胶。系统研究了不同十二烷基硫酸钠(SDS)含量对芳纶纳米纤维气凝胶的吸声降噪性能和隔热性能的影响。研究发现,芳纶纳米纤维气凝胶具有多级孔隙和分层结构,其吸声降噪性能随着SDS含量的增加而增强。当SDS与芳纶纳米纤维的固体质量比为1:1时,所制备的芳纶纳米纤维气凝胶具有优异的吸声性能(降噪系数(NRC)为0.52)和良好的隔热性能(导热系数为0.0422W/(m*K))。 (2)采用四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)作为增强材料,旨在提升芳纶纳米纤维气凝胶的结构稳定性,并进一步优化复合气凝胶的内部孔隙分布。系统研究了不同T-ZnOw含量对复合气凝胶的吸声降噪性能、力学性能及隔热性能的影响。研究发现,复合芳纶气凝胶表现为多级孔隙和分层结构(由芳纶纳米纤维壁与四针状氧化锌晶须共同构成),其吸声降噪性能随着T-ZnOw含量的增加而先增强后减弱。复合气凝胶展现出优异的吸声性能(NRC为0.44),抗压性能(在80%应变下的压应力可达169.9kPa)和良好的隔热性能(导热系数为0.03W/(m*K)),证明了复合芳纶气凝胶在吸声降噪和隔热等多功能领域的应用价值。 (3)引入纤维素纳米纤维(CNF)构建稳定的双交联三维网络,采用T-ZnOw作为增强材料以优化芳纶纳米纤维气凝胶的微观结构从而进一步提升其吸声降噪性能、力学性能及隔热性能。系统分析不同T-ZnOw含量对复合气凝胶增强性能的影响。研究发现,具有双交联网络结构的复合芳纶气凝胶具有定向排列的分层结构并形成了相互贯通的多级孔隙结构,其吸声降噪性能随着T-ZnOw含量的增加而先增强后减弱。该复合芳纶气凝胶具备优异的吸声降噪性能(NRC为0.606),抗压性能显著增强(80%应变下的压缩应力达到228kPa)和低导热系数(最低可达0.0375W/(m*K)),进一步增强了其在多功能领域的应用潜力和在航空降噪领域的应用价值。