[发明专利]一种多级泡沫吸声黑体材料

说明书

本发明首次提出一种多级泡沫吸声黑体材料，通过在商业化的聚合物泡沫骨架内部利用溶剂塑化发泡的技术引入石墨烯气凝胶，从而将超薄的石墨烯鼓嵌入到了泡沫骨架中，当声波进入到此泡沫黑体中，大量的石墨烯鼓自身产生剧烈共振效应，从而快速实现声波的衰减，结合聚合物泡沫自身多孔结构对于声波的摩擦损耗，在宽频范围内均具有优异的吸声性能。此方案基于商用泡沫材料，方法简单，成本较低，具有广泛工业化应用的潜力。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种吸声黑体泡沫材料及其制备方法。

背景技术

吸声材料具有广泛的应用，从人身防护、电器保护到建筑设计等各个领域均发挥着不可或缺的作用。目前，世界上大约有1/5的人正遭受着听力受损的危害，且这一数量正在不断的快速增长。因此，探索高性能的声学吸收材料显得尤为重要。作为传统的吸声材料，聚合物泡沫由于其高度多孔的结构已广泛的应用于各个领域中，其吸声性能的基本原理主要依靠声波在多孔空穴内部进行摩擦产生损耗。目前，已有许多的研究对聚合物泡沫的孔径与孔结构进行不断的优化调控其吸声性能，但是此类传统材料已难以满足日益增长的声学需求。通过在聚合物泡沫中添加功能性纳米材料，如石墨烯、碳纳米管、纳米纤维等，也有利于增强其吸声性能。但是，纳米填料的加入所引出的吸声性能增加仍是增加声波与骨架的接触面积，从而进一步增加声波的摩擦损耗，其本质上在吸声领域并未有基础的突破。

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆发现，其是石墨的单原子层结构，由sp2杂化的碳原子构成正六边形网络、蜂窝状二维结构，展示出了许多迷人的特性。在纳米机械振动领域，由于石墨烯具有低的平面内刚性及单原子层厚度，其所制备的石墨烯鼓期间更容易产生较大的平面外变形，且其从低频到超高频区域均存在明显的谐振效应。因此，利用石墨烯鼓的振动效应去进行声波的衰减是比较理想的方案。但是，石墨烯鼓作为声学吸收材料仍存在两大难题。首先，超薄的石墨烯鼓很难组装成日常需求的宏观材料进行使用；虽然气凝胶可以将纳米厚度的石墨烯集合在三维多孔材料中，但是由于片层与片层之间结合较弱，未固定形成纳米石墨烯鼓结构，因此在振动时容易产生片层滑移，影响其吸声能力；且由于石墨烯的成本较高，利用单独的石墨烯进行大规模应用，目前仍显得较为不足。其次，直接将石墨烯片层固定的聚合物泡沫内部，石墨烯会倾向于层层堆积，从而严重损失了石墨烯超薄的振动特性。因此，如何制备新型的高性能吸声材料仍存在巨大的挑战。

本方案提供了一种采用聚合物泡沫-石墨烯鼓的复合材料实现了吸声性能的大幅度提升，可作为声学黑体使用。通过将氧化石墨烯嵌入到聚合物泡沫内部，然后采用溶剂塑化发泡的手段将氧化石墨烯在泡沫壁上进行发泡，从而形成超薄的石墨烯鼓结构，充分将石墨烯鼓的振动特性在商业化泡沫上进行应用，不仅得到了目前吸声效果最好、吸声频率最宽的黑体材料，且此方法简单，成本较低，有利于此吸声黑体在日常生活中的大规模应用。

发明内容

本发明提供了一种多级泡沫吸声黑体材料，包括聚合物泡沫骨架和附着在所述骨架上的连续的石墨烯共振腔，所述聚合物泡沫骨架的孔径在10um以上；所述石墨烯共振腔的腔壁为厚度在100nm以下的石墨烯。其中，聚合物泡沫骨架形成一级泡沫结构，石墨烯共振腔形成二级泡沫结构。二级泡沫结构可作为有效的吸声单元，与一级泡沫结构形成类亥姆霍兹共振腔；当声音进入一级泡沫结构后，声波与一级泡沫结构的骨架发生摩擦损耗，传递到二级泡沫结构，石墨烯产生共振，进一步实现声波能量损耗，在传感、电磁屏蔽及声学管理领域的具有广泛应用。

所述的商业化的聚合物泡沫为常用的吸声泡沫材料，如聚氨酯泡沫，三聚氰胺泡沫。

本发明所述的吸声黑体泡沫材料通过如下方法制备得到：将聚合物泡沫浸渍于氧化石墨烯的分散液中，氧化石墨烯填充到泡沫的内部（或可通过真空灌注的方式加速石墨烯填充），干燥后将所得泡沫放置于发泡剂溶液中进行发泡，发泡后干燥便得到了多级泡沫吸声黑体材料。

进一步地，所述的氧化石墨烯可采用Hummers方法、改进的Hummers方法及电化学方法等进行制备。