交通噪声污染给全球经济、生态环境和人类健康带来了巨大的负担。然而，目前的交通降噪材料大多存在吸声带窄、重量大、耐温性差等问题。纤维材料具有多孔结构和曲折通道的优点，可以增强声波的摩擦和耗散，表现出良好的高频吸收性能。然而，由于纤维直径大(通常为>5 μm)和孔隙率低(<60%)的固有缺陷，传统的微纤维吸声材料仍然存在固有缺陷，使得对车辆容易产生的低频噪声吸收不良。

为了解决这个问题，有必要增加纤维材料的厚度或密度，但是，这会导致重量过大（>50 mg cm-3）和高频噪声吸收不良。此外，车辆留给吸音材料的空间有限，增加密度会增加油耗，违反节能原则。此外，车辆运行一段时间后的温度会变得非常高；因此，常用的聚合物基吸声材料的耐温性差，不仅容易导致分解和材料失效，甚至会导致车辆自燃，增加安全隐患。

鉴于此，东华大学俞建勇院士、丁彬教授和张世超研究员通过结合定向冷冻干燥技术和抗坏血酸还原方法，构建了具有分层缠结石墨烯网络结构的柔性陶瓷纳米纤维海绵(FCNSs)。由于由柔性SiO2纳米纤维（SNFs）和还原氧化石墨烯（rGO）组成的独特的分层纠缠结构，获得的FCNSs具有超低体积密度（2 mg cm-3）、温度不变的超弹性和良好的弯曲性。此外，FCNS 显示出增强的宽带噪声吸收性能（63-6300 Hz 下的降噪系数为 0.56）和轻质特性（9.3 mg cm-3），以及在 –100 °C到 500 °C 的温度范围内具有高稳定性。作者认为夹层FCNSs的成功合成将打破传统吸声材料吸收频带窄(>1000 Hz)的瓶颈，为开发高效降噪材料提供更广阔的前景。相关研究以题目为“Flexible ceramic nanofibrous sponges with hierarchically entangled graphene networks enable noise absorption”发表在《Nature Communications》上。

FCNSs结构设计与分层缠结结构

为了满足交通吸声材料的降噪性能、结构稳定性和热耐久性的要求，研究者从以下四个方面考虑了FCNSs的制备:(1) FCNSs中应有与声波方向平行的连通良好的开放通道和与声波方向垂直的闭孔壁，既保证声波的消散，又防止声波的传播通过材料。(2) FCNSs 应具有强大的机械性能，以保证其长期应用稳定性。(3) FCNS 必须具有良好的耐热性，以确保在高温环境下的安全；同时，材料应轻量化，以减少车辆的能源消耗。(4) FCNSs 应在厚度方向具有不断变化的组装结构，以实现多界面反射并逐渐消散宽带声波。

为了满足前三个要求，选择具有良好热稳定性的柔性 SNF 作为构建纤维框架结构；同时，选择具有良好柔韧性的二维 GO 纳米片作为粘合剂和大孔阻塞剂，以在 SNF 之间建立有效的缠结并阻塞纤维腔壁的孔。最后一个要求是通过设计夹层组装架构来满足宽带声波的多重耗散。

图1：FCNSs的结构设计与层次结构 。

FCNSs的合成过程

FCNSs的合成过程主要涉及四种成分:氧化石墨烯、SNFs、抗坏血酸和超纯水，如图1a所示。通用溶胶-凝胶静电纺丝技术制备柔性 SNF，其具有均匀的表面形态，平均直径为 286 nm。在水中均质化后，SNF 分散良好，平均纤维长度为 161 μm。并且通过高速搅拌将获得的 SNF 分散体与 GO 水溶液混合。然后将抗坏血酸作为还原剂加入上述 GO/SNF 分散体中以进一步均质化。随后，均匀的分散体在液氮浴中定向冷冻并冷冻干燥成 GO/SNF 海绵。由于 GO 的亲水基团的存在，制备的 GO/SNF 海绵是亲水的。最后，将获得的 GO/SNF 海绵在 90 °C 下加热 6 h，以获得具有良好疏水性的 FCNS。

图2：FCNSs的机械特性。

图3：不同温度下FCNSs的机械特性。

图4  FCNSs的吸声特性。

图5夹心分层FCNSs的吸声特性。

在本研究中，FCNSs作为概念模型的实践验证；考虑到陶瓷材料来源丰富，FCNSs制备简便，本研究将为陶瓷纳米纤维海绵在各个领域的应用提供思路。

例如，生物陶瓷（如ZrO2和羟基磷灰石）被广泛用作骨组织替代品，使用生物陶瓷纳米纤维创建 3D FCNS 可以通过为细胞生长提供合适的方向来更真实地模拟骨组织。此外，蜂窝陶瓷（如Al2O3和TiO2）通常用作催化剂载体，但存在较大的脆性；FCNSs 不仅具有良好的柔韧性，而且能够负载更多的纳米催化剂，可显著提高其应用性能。此外，一些功能材料（如 Au、Fe3O4 和其他纳米粒子）可以很容易地嵌入 FCNS 的开放框架中，从而能够制造多功能复合海绵。

图6：夹层FCNS的吸噪音应用。

综述所述，研究者们提出了一种简单的方法来构建具有分层缠结石墨烯网络的FCNS，实现了超轻性能、不随温度变化的超弹性（第1000次循环4.3%的塑性变形）和良好的弯曲性（超过1000次不变的结构）。分层缠结的夹层结构实现了多界面反射能力，有助于提高吸声性能（NRC为0.56）。此外，陶瓷和rGO的综合优势赋予FCNS良好的耐热性和较强的防潮性能。因此，FCNS可以作为有效的吸声材料，具有潜在的广泛应用，如交通降噪、工业降噪和家庭降噪，尤其是在高温环境下的安全降噪等。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26890-9