氧化硅气凝胶因其独特的微观结构而被认为是极具潜力的新型吸声材料，但其纳米尺寸的孔洞和坚硬的表面不利于声波的耦合和损耗。因此，目前研究大多集中在气凝胶粉体的吸声性能上。然而，气凝胶粉体的超临界干燥成本高昂，且封装工艺复杂，限制了氧化硅气凝胶在吸声领域的广泛应用。如何简化气凝胶的制备工艺，以及如何增强其结构与声波的耦合与吸收能力，成为气凝胶吸声应用的关键科学问题。

  近日，同济大学物理科学与工程学院杜艾教授、祝捷教授和刘宸博士团队合作，创新性地开发了一种挤压-常压干燥工艺（图1），成功制备出一种具有梯度结构的复合气凝胶材料，并通过宏-微观表征手段（图1和图2）验证了孔隙的梯度分布。图3中研究结果表明，气凝胶的梯度填充模式对其吸声性能具有决定性影响：当声波从大孔端入射时，样品展现出优异的宽频吸声特性（2000 Hz以上平均吸声系数＞0.95，NRC=0.54），显著优于无气凝胶填充、全填充或小孔端入射的对照组。其性能提升机制可归结为以下两方面：1）梯度结构的声学协同效应：大孔端作为入射面优化了声波耦合效率，减少声波的反射，使声能充分进入材料内部；随着梯度过渡至小孔端，气凝胶层通过其纳米多孔结构的粘滞耗散与散射作用吸收声波，有效解决了能量泄漏问题（见图4中 COMSOL仿真验证）；2）异质材料复合的多模式耗散：柔性PMSQ气凝胶与刚性泡沫骨架的界面耦合增强了声波-结构相互作用，可能激发了界面摩擦与局域共振等新型损耗机制。该研究不仅突破了传统氧化硅气凝胶在吸声领域应用的瓶颈，还通过材料-结构一体化设计实现了多功能拓展。这种梯度复合气凝胶在保持高吸声性能的同时，还兼具优异的力学强度与隔热特性（图5），为多物理场耦合环境下的噪声-热协同管理提供了一种全新的解决方案，具有重要的应用价值。

图1. 梯度复合气凝胶的制备流程及宏观表征

图2. 梯度复合气凝胶微观形貌及孔径分布

图3. 梯度复合气凝胶的吸声性能

图4. 梯度复合气凝胶的声学模拟及原理解释

图5. 梯度复合气凝胶的力学和热学性能

  该工作以“Ambiently Dried Aerogel-Foam Composites with Gradient Pore Structure for Enhanced Sound Absorption”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（2025, 17, 18759–18770.）。文章第一作者为同济大学硕士生范才德，通讯作者为同济大学刘宸博士、祝捷教授和杜艾教授。上海卫星工程研究所的杨金，以及同济大学杨建明博士、周斌教授、沈军教授对该研究做出了重要贡献，同济大学研究生芮美丽和史腾岩也参与了相关工作。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基础研究基金等多项课题支持。

  杜艾教授团队长期专注于气凝胶和其它物质（电磁波、声波、高速粒子等）相互作用的研究领域。此次发表的成果是该团队在气凝胶与声波相互作用方向的最新成果。此前，该团队已在相关领域取得了进展，例如针对PI/SiO₂气凝胶的声衰减问题展开研究（RSC Adv. 2014, 4，58252-58259），为中船集团的相关应用提供了有利支持；此外，团队还创新性地提出了不均匀结构气凝胶的简化理论，借助DLCA（扩散置限团簇凝聚）和COMSOL模拟技术构建“鱼骨”模型，对声波在二氧化硅气凝胶中的低声速现象进行了半定量阐释 （Adv. Compos. Hybrid Mater.  2021, 4，248-256），攻克了困扰气凝胶领域近三十年的低声速难题。该工作不仅深化了对气凝胶与声波相互作用机制的理解，更为不均匀结构气凝胶在吸声隔声设计与应用方面奠定了基础。

  原文链接https://doi.org/10.1021/acsami.4c23072