Seiring perkembangan industri transportasi, polusi suara lalu lintas telah menjadi masalah serius, yang berpotensi menjadi ancaman bagi ekonomi global, lingkungan ekologi, dan kesehatan manusia. Karena struktur berpori dan saluran bengkok dari material serat dapat meningkatkan gesekan dan disipasi gelombang akustik, banyak penelitian telah menggunakan material serat sebagai komponen inti peredam suara. Namun, karena keterbatasan bawaan dari diameter serat yang besar dan porositas yang rendah, material peredam suara serat tradisional sulit untuk memiliki kinerja penyerapan yang tinggi untuk kebisingan frekuensi rendah yang mudah dihasilkan oleh kendaraan. Jika ketebalan atau kepadatan material serat ditingkatkan, berat material akan menjadi besar, dan konsumsi energi akan meningkat, yang bertentangan dengan konsep ramah lingkungan dan rendah karbon. Dan material peredam suara polimer umum memiliki ketahanan panas yang buruk, tidak hanya mudah menyebabkan kegagalan dekomposisi material, tetapi bahkan dapat menyebabkan masalah keamanan.

Untuk mengatasi masalah di atas, Prof. Jianyong Yu dan timnya dari Universitas Donghua mengusulkan untuk menyiapkan spons nanofiber keramik fleksibel (FCNS) dengan struktur keterikatan berlapis unik yang terdiri dari nanofiber SiO2 fleksibel (SNF) dan graphene oksida tereduksi (rGO) dengan menggabungkan teknologi pengeringan beku terarah dan reduksi askorbat. Untuk memenuhi persyaratan material penyerap suara lalu lintas untuk kinerja pengurangan kebisingan, stabilitas struktural, dan ketahanan panas, SNF fleksibel dengan stabilitas termal yang baik dipilih sebagai dasar untuk membangun struktur rangka serat. Pada saat yang sama, nanosheet GO dua dimensi fleksibel dipilih sebagai perekat dan penghalang makropori untuk membangun keterikatan efektif antara SNF dan menghalangi pori-pori di dinding serat. Akhirnya, struktur rakitan sandwich dirancang untuk mewujudkan disipasi ganda gelombang akustik pita lebar. Berbeda dari metode sebelumnya dalam menyiapkan material peredam kebisingan, persiapan SNF yang sederhana dikombinasikan dengan fleksibilitas teknologi pengeringan beku terarah membuat FCNS mudah disiapkan dan strukturnya dapat disesuaikan.

Desain struktural dan hierarki FCNS

Sifat mekanik FCNS sangat berkaitan dengan kandungan SNF dan GO, dan FCNS70 (kandungan SNF: GO 10:7) ditemukan memiliki stabilitas struktural yang diinginkan. Struktur keterikatan yang unik memberikan FCNS kinerja tekuk yang sangat baik dan dapat menahan deformasi tekuk besar (80%) tanpa patah. FCNS70 juga menunjukkan kinerja tekuk siklik yang baik, mempertahankan lebih dari 70% tegangan maksimum awal setelah 1000 siklus tekuk siklik. Selain itu, FCNS menunjukkan ketahanan lelah kompresi yang dibutuhkan, dengan deformasi plastis FCNS70 hanya 4.3% setelah 1000 siklus kompresi di bawah regangan besar (60%). Selanjutnya, FCNS menggabungkan sifat struktural material polimer dengan ketahanan suhu tinggi keramik, menunjukkan viskoelastisitas dan superelastisitas yang stabil pada suhu lingkungan yang berbeda.

Karakteristik mekanik FCNS

Model Johnson-Champoux-Allard digunakan untuk memandu dan mengoptimalkan desain FCNS, mengeksplorasi pengaruh parameter akustik pada kinerja penyerapan suara FCNS, dan selanjutnya mendesain parameter struktural FCNS untuk mencapai penyerapan kebisingan pita lebar. Struktur sandwich dengan arah ketebalan FCNS selanjutnya dibangun untuk secara efektif meningkatkan jalur refleksi gelombang suara bertahap di dalam material, sehingga berhasil meningkatkan disipasi energi suara, menunjukkan penyerapan kebisingan yang tinggi (NRC 0.56) dan bobot sangat ringan (280.8 g/m2).

Aplikasi penyerapan kebisingan dari FCNS sandwich

Metode ini mengatasi hambatan penyerapan frekuensi rendah pada peredam suara tradisional dan memberikan gagasan yang lebih luas untuk mengembangkan material peredam suara yang efisien. Penelitian terkait berjudul "Flexible ceramic nanofibrous sponges with Hierarchically Entangled graphene networks enable noise" (Spons nanofiber keramik fleksibel dengan jaringan graphene yang terjalin secara hierarkis memungkinkan peredaman suara) telah diterbitkan di Nature Communications.