超輕石墨烯氣凝膠制備全部文書結題報告

1、目錄第一部分：項目內容誠信第二部分：項目簡介第三部分：文獻綜述第四部分：設計方案論證第五部分：原始實驗第六部分：結題()報告第七部分：專利受理書第八部分：心得體會1 / 50第一部分：項目內容誠信本項目小組鄭重：所呈交的項目內容(包括文獻資料綜述、研究或設計方案論證材料、經(jīng)整理歸類的原始、或設計報告、實物、軟件、專利、心得體會、電子展板等各項成果支撐材料和相關的電子文檔即光盤），是本小組在相關的指導下，小組全體成員合作進行研究工作所取得的成果。項目內容所包括的文獻、數(shù)據(jù)、實物、圖片、軟件、專利等資料均已經(jīng)注明引用及其出處，對本項目成果的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在項目內容中以明確方式表

2、明。本小組全體成員完全本的法律后果，項目內容因而造成的任。之處，本小組全體成員愿意承擔相應的法律責項目組簽名：項目組成員簽名：指導簽名：年月日2 / 50第二部分：項目簡介對于當下很熱門的材料石墨烯，以及吸聲機理的認識，我們了解到石墨烯氣凝膠質輕、耐腐蝕、阻燃的宏觀特性和目前普遍使用的復合吸聲材料的一些不足之處，我們研究了把石墨烯做成氣凝膠之后它對聲音的吸收效果，還用SEM 表征氣凝膠的表面微觀結構。本項目完成了以下石墨烯氣凝膠的工藝：1. 以天然石墨（GO）為起始原料，采用 hummers 方法氧化石墨得到氧化石墨烯；2. 然后將氧化石墨烯溶液進行還原反應，得到石墨烯水凝膠塊體，進一步冷凍干

3、燥除去水分獲得石墨烯氣凝膠；3. 或者直接將氧化石墨烯溶液先進行冷凍干燥得到氧化石墨烯氣凝膠，再進行高溫還原轉變?yōu)槭饽z；4. 測試石墨烯氣凝膠的吸聲特性，采用 SEM 表征氣凝膠孔隙大小，研究孔隙率大小、孔徑梯度分布等微觀結構因素對吸聲性能的影響；5. 調節(jié)冷凍干燥和膠材料。還原的工藝參數(shù)，獲得孔隙可調的高效吸聲石墨烯氣凝利用上述的實驗技術路線，我們出不同氧化石墨烯溶液，并且得到不同孔隙率的石墨烯氣凝膠，經(jīng)過駐波管的測試，我們得到了相當滿意的結果石墨烯氣凝膠具有很好的吸聲性能，并且不同孔隙率的氣凝膠的嵌合會使吸聲頻帶更大，這一實驗結果可能會使石墨烯或者說是石墨烯氣凝膠有更廣闊的應用，我

4、們可以先在一些更加或者高端的地方使用，然后逐漸地降低成本，使“石墨烯氣凝膠”逐步取代“硅”， 本項目理念創(chuàng)新，成果應用廣。石墨烯氣凝膠能夠寬頻帶地吸聲測試的實現(xiàn)不僅能夠擴大石墨烯這一熱門產(chǎn)業(yè)甚至說是產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，而且可以藉此尖端設備開展未知領域。性前沿科學研究，探索科學上的3 / 50第三部分：文獻綜述目錄一、石墨烯的前世今生與未來（1.1）石墨烯的橫空出世（1.2）石墨烯與碳納米管的不同（1.3）不同的未來（1.4）應用領域廣泛市場潛力無限二、石墨烯氣凝膠的及其特性（2.1）石墨烯氣凝膠的（2.2）微觀和宏觀結構特性三、關于噪聲和吸聲方法的討論（3.1）吸聲材料的廣泛應用（3.2）石墨烯氣凝

5、膠的特點和吸聲特性4 / 50一、石墨烯的前世今生與未來（1.1）石墨烯的橫空出世】5 / 50石墨烯與碳納米管：一樣的前生，不一樣的今世，更是迥異的未來。石墨烯作為石墨（及后來的碳納米管）的基本結構單元在理論上已被研究長達 60 余年。在 Geim 和 Novoselov 的工作之前，薄層石 墨已有多處。例如，哥侖大學（Columbia University）【1】的 Philip Kim【2】和德克薩斯大學澳斯汀分校（University of Texas at Austin）的 Rodney Rouff【3】（當時在 Washington University）對石墨剝離薄層石墨片進行過

6、研究，很可惜未得到單層石墨烯。這千呼萬喚始出來的矜持的姿態(tài)就注定了石墨烯高貴華麗的今生【42010 年 10 月 4 日，獎揭曉，獲獎者是英國曼徹斯特大學物理和天文學院的 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，(他們兩個是師徒關系，都出生于 )獲獎理由為“二 材料石墨烯（graphene）方面的開創(chuàng)性實驗”。從 2004 年石墨烯被 剝離至 2010 年斬獲 獎，是什么魔力讓這一看似“普通”的碳材料在短短的 6 年時間內締造了一個 神話？而回眸看其同族兄弟碳納米管，自 1991 年被發(fā)現(xiàn)至今近 20 年，歷經(jīng)風雨，幾經(jīng)沉浮，不過是“為他人做嫁衣裳”。（1.2）石墨

7、烯與碳納米管的不同【5】石墨烯即為“單層石墨片”，是 石墨的基本結構單元；而碳納米管是由石墨烯卷曲而成的圓筒結構（圖 1）。作為一維（1D）和二維（2D）納米材料的代表者，二者在結構和性能上具有互補性。從結構上來看，碳納米管是碳的一維晶體結構；而石墨烯僅由單碳原子層 ，是真正意義上的二維晶體結構。從性能上來看，石墨烯具有可與碳納米管相媲美或更優(yōu)異的特性，例如高電導率和熱導率、 子遷移率、自由的電子移動空間、高強度和剛度等。目前，關于碳納米管的研究，無論在 技術、性能表征及應用探索等方面都已經(jīng)達到了一定的深度和廣度。組成及結構上的緊密 ，使二者在研究方法上具有許多相通之處。事實上，很多 石墨烯的

8、研究最開始都是受到碳納米管相關研究的啟發(fā)而開展起來的。6 / 50圖 1 ：石墨烯與碳納米管石墨烯的發(fā)展歷程與碳納米管極為類似。在碳納米管被發(fā)現(xiàn)之前，碳的晶體結構主要有三種：石墨、石和富勒烯（以 C60 為代表【6】）。當時，對于碳（已工業(yè)化應用）和碳納米都已經(jīng)有了很充分的研究；在碳納米管被發(fā)現(xiàn)【7】之后，人們開始關注碳納米管與碳納米之間的異同。從表面上看，在晶體結構上，碳納米的晶化程度相對較差，缺陷較多，石墨層片排列不連續(xù)，直徑較大，并不真正屬于碳的晶體結構， 或者僅算是石墨的一種衍生物。如果單從這一點來看，碳納米管的出現(xiàn)似乎僅是碳納米的一個延伸。因此，有一些人并不把碳納米管的發(fā)現(xiàn)歸功于 S

9、umio Iijima【8】。事實上， 碳納米管的發(fā)現(xiàn)意義體現(xiàn)在人類觀念的更新，標志著對碳晶體結構（甚至整個碳范式）有了更為深入的認識，是本質上邁進的一大步。尤其是碳納米管、雙壁和薄壁碳納米管的可控為充分認識碳納米管的性能奠定了堅實的實驗基礎。值得一提的是，一些碳納米管的方法大都借鑒自碳納米（如化學氣相沉積法）。在一些早期研究中，對碳納米和碳納米管的區(qū)分并不十分嚴格。對比石墨烯與碳納米管（圖 2），可顯見類似的發(fā)展軌跡。在石墨烯在實驗上被發(fā)現(xiàn)之前，一些微小石墨晶粒、晶須或石墨層片（層數(shù)較多）就已經(jīng)被出來并被廣泛研究。膨脹石墨也是基于剝離石墨的理念，相關技術發(fā)展純熟，工業(yè)化應用已久。同、雙壁、薄

10、壁碳納米管之間的關系類似，除了嚴格意義上的石墨烯(單層) 外，雙層和少數(shù)層石墨層片在結構和性能上也區(qū)別于塊體石墨，在廣義上也被墨烯的范疇。（1.3）不同的未來雖然石墨烯與碳納米管有著類似的前生，卻很可能擁有不一樣的未來 有多方面， 但最終可歸結為一維材料與二維材料之爭。納米線、納米管在同薄膜材料的較量中往往處于劣勢。以碳納米管為例，單根碳納米管可被視作一根具有高長徑比的 ，但目前的 和組裝技術還無法獲得具有宏觀 的碳納米管晶體，從而限制了碳納米管的應用。石墨烯的優(yōu)勢在于本身即為二維晶體結構，可實現(xiàn)大面積連續(xù)生長，將 Bottom-up 和 Top-down 結合起來，未來應用前景光明。另外，石

11、墨烯更受 家的青睞，是進行科學實驗、解決科學石墨烯在電子行業(yè)的應用中研發(fā)的方向主要有四個領域，一、石墨烯可替代晶硅應用在將領域，將速度提高到 THZ 級別，運行速度極大提高。全球每年半導體晶硅的需求量在 2500 噸左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成電路，市場容量至少在 5000 億元以上?！?】二、石墨烯制成的鋰離子電池負極材料能夠大幅提高電池性能。全球每年負極材料的需求量在 2.5 萬噸以上，并保持 20%以上增長。石墨烯作為負極材料應用在十分之一的鋰離子電池中，其需求量也在 250 噸以上。例如：中國寶安，在研發(fā)方面，公司已完成高倍率、高容量的鈦酸鋰(LTO)開發(fā)和，實現(xiàn)批量

12、生產(chǎn)和銷售；實現(xiàn)導電石墨的開發(fā)并部分銷售；實現(xiàn)碳納米導電液的開發(fā)和生產(chǎn)；石墨烯正在進行中試工藝的開發(fā)和中試線組建。【10】三、石墨烯制成的超級電容器，充電時間只需 1 毫秒。2010 年全球超級電容市場規(guī)模在 50 億，并保持著 20%的增長率，隨著未來超級電容器的放量，石墨烯的應用空間巨大。四、石墨烯可以替代 ITO 作為導電材料制成顯示器件。預計 2011 年全球 ITO 導電的需求量在 8500-9500 萬片，石墨烯的替代空間巨大?！?1】二、石墨烯氣凝膠的及其特性（2.1）石墨烯氣凝膠的石墨烯氣凝膠的主要有六種方法：1 機械剝離法、2 化學氧化法、3 晶體外延生、4 化學氣相沉積法、

13、5 有機法和6 碳納米管剝離法等。1、微機械剝離法2004 年，Geim 等首次用微機械剝離法，地從高定向熱裂解石墨(highlyoriented pyrolytic graphite)上剝離并觀測到單層石墨烯。Geim 研究組利用這一方法了準二維石墨烯并觀測到其形貌，揭示了石墨烯二維晶體結構存在的。微機械剝離法可以出高質量石墨烯，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求，目前只能作為小規(guī)模。7 / 50問題的理想平臺，這也是促成其本次獲獎的主要因素。碳納米管地位尷尬，不可能給物理獎， 給個化學獎也不太像，何況已有 C60 在先。（1.4）石墨烯的應用領域廣泛 市場潛力無限2、

14、化學氣相沉積法化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)首次在規(guī)?；┑膯栴}方面有了新的(參考化學氣相沉積備高質量石墨烯)。CVD 法是指反應物質在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應,生成固態(tài)物質沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。麻省理工學院的 Kong 等、韓國成均館大學的 Hong 等和普渡大學的 Chen 等在利用 CVD備石墨烯。他們使用的是一種以鎳為基片的管狀簡易沉積爐，通入含碳氣體，如：碳氫化合物，它在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的表面,形成石墨烯，通過輕微的化學刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳片分離得到石墨烯薄膜。這種薄膜在透光率為 80%時電導

15、率即可達到 1.1×106S/m，成為目前透明導電薄膜的潛在替代品。用 CVD 法可以出高質量大面積的石墨烯，但是理想的基片材料鎳的價格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素。CVD 法可以滿足規(guī)?；哔|量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復雜。3、氧化-還原法氧化-還原備成本低廉且容易實現(xiàn)，成為石墨烯的最佳方法，而且可以穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯不易分散的問題。氧化-還原法是指將天然石墨與強酸和強氧化性物質反應生成氧化石墨(GO)，經(jīng)過超聲分散成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。氧化-還原法被提出后，以其簡

16、單易行的工藝成為石墨烯的最簡便的方法，得到廣大石墨烯研究者的青睞。Ruoff 等發(fā)現(xiàn)通過加入化學物質例如二甲肼、對苯二酚、硼氫化鈉(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基團，就能得到石墨烯。氧化-還原法可以穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯難以分散在溶劑中的問題。氧化-還原法的缺點是宏量容易帶來廢液污染和的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五、七等拓撲缺陷或存在-OH 基團的結構缺陷，這些將導致石墨烯部分電學性能的損失，使石墨烯的應用受到限制。【12】4、溶劑剝離法溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的力，此時溶劑可以8 / 50石墨層間，進

17、行層層剝離，出石墨烯。此方法像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結構，可以高質量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的產(chǎn)率最高(大約為 8%)，電導率為 6500S/m。研究發(fā)現(xiàn)高定向熱裂解石墨、熱膨脹石墨和微晶人造石墨適合用于溶劑剝離備石墨烯。溶劑剝離法可以高質量的石墨烯，整個液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷，為其在微電子學、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景。缺點是產(chǎn)率很低。5、溶劑熱法溶劑熱法是指在特制的密閉反應器(高壓釜)中，采用作為反應介質，通過將反應體系加熱至臨界溫度(或接近臨界溫度)，在反應體系中自身產(chǎn)生高壓而進行材料的一種有效方法。溶劑熱法解決了規(guī)?；┑膯?/p>

18、題，同時也帶來了電導率很低的影響。為解決由此帶來的不足，研究者將溶劑熱法和氧化還原法相結合出了高質量的石墨烯。Dai 等發(fā)現(xiàn)溶劑熱條件下還原氧化石墨烯的石墨烯薄膜電阻小于傳統(tǒng)條件下石墨烯。溶劑熱法因高溫高壓封閉體系下可高質量石墨烯的特點越來越受科學家的關注。溶劑熱法和其他方法的結合將成為石墨烯的又一亮點?！?3】6、其它方法石墨烯的方法還有高溫還原、光照還原、外延晶體生、微波法、電弧法、電化學法等。下面重點講解一下 Hummers 制作工藝：1 氧化石墨的：在干燥的錐形瓶中加入 230mL98%的濃硫酸，低溫冷卻至 04，強力攪拌下加入 10g 的天然鱗片石和 5g 硝酸鉀的固體混合物，待完全

19、溶解后，分 6 次加入 30g 高錳酸鉀，溫度在 1015之間攪拌反應 2.5h，溶液呈墨綠色。然后將錐形瓶置于 35的恒溫水浴中，繼續(xù)攪拌 30min，用溫熱的去離子水稀釋反應液，再加 5%雙氧水，攪拌，此時溶液呈金黃色。趁熱過濾，用 5%鹽酸和無水乙醇進行離心 5 次去離子水充分洗滌，棕黃色沉淀至 pH7，并用氯化鋇溶液檢測濾液中午硫酸根離子的存在。將棕黃色的沉淀物在 60扥烘烤箱中干燥 48h，淹沒過后篩，的氧化石墨粉末，保存?zhèn)溆谩！?4】2 石墨烯氣凝膠的：【15】9 / 50超聲分散于水中得到氧化石墨烯水分散液接著可以按兩個方案來做（如下圖所示）（2.2）微觀和宏觀結構特性力學性能：

20、10 / 50熱學性能：磁學性能：三、（3.1）吸聲材料的廣泛應用以及優(yōu)缺點：利用吸聲材料來吸聲降噪是治理噪聲污染的重要途徑之一。闡述了共振吸聲11 / 50材料與多孔吸聲材料吸聲降噪的機理，較為詳細的介紹了各種吸聲材料的分類、研究與應用及性能評價，對吸聲材料未來研究發(fā)展趨勢加以展望。噪聲污染已成為當代世界性的問題，同水污染和大氣污染一起被列為全球三大污染 。隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通事業(yè)的迅速發(fā)展，噪聲污染日趨嚴重，它對人們身心健康的危害，日益為人們所認識和關注，并且在人口密集、發(fā)達的大中城市，噪聲污染的程度越加嚴重，成為環(huán)境治理過程中倍受關注的熱點問題。對噪聲的防治措施主要是聲源和采用吸聲材料

21、。聲源主要是通過改進設備結構，提高和裝配質量，以降低聲源的輻射能量；而實際應用中最有效的噪聲治理則是通過采用吸聲材料來達到降噪的效果?！?6】1.吸聲機理按吸聲機理的差異，吸聲材料可分為共振吸聲材料和多孔吸聲材料兩大類。共振吸聲材料相當于多個亥姆吸聲共振器并聯(lián)而成的共振吸聲結構。當聲波垂射到材料表面時，材料內及周圍的空氣隨聲波一起來回振動，相當于一個活塞，它反抗體積速度的變化是個慣性量。材料與壁面間的空氣層相當于一個彈簧，它可以起到聲壓變化的作用。不同頻率的聲波人射時，這種共振系統(tǒng)會產(chǎn)生不同的響應。當入射聲波的頻率接的固有頻率時，系統(tǒng)內空氣的振動很強烈，聲能大量損耗，即聲吸收最大。相反，當入射

22、聲波的頻率遠離系統(tǒng)固有的共振頻率時，系統(tǒng)內空氣的振動很弱，因此吸聲的作用很小?？梢姡@種共振吸聲結構的吸聲系數(shù)隨頻率而變化，最高吸聲作用出現(xiàn)在系統(tǒng)的共振頻率處。多孔材料內部具有大量細微孔隙，孔隙間彼此貫通，孔隙深人材料內部且通過表面與外界相通，當聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面反射掉，另一部分則透入到材料內部向前。在過程中，引起孔隙的空氣運動，與形成的固體筋絡發(fā)生摩擦，由于粘滯性和熱傳導效應，將聲能轉變?yōu)闊崮芏纳⒌?。同時，小的空氣和與之間的熱交換引起的熱損失也使聲能衰減。此外，聲波在鋼性壁面反射后，經(jīng)過材料回到其表面時，一部分聲波透射到空氣中，一部分又反射回材料內部。聲波通過這種反復，

23、使能量不斷轉換耗散，如此反復，直到平衡，進一步降低了部分聲能。2.共振吸聲材料21 薄板共振吸聲材料12 / 50用各類薄板固定在骨架上，板后留有空腔就了薄板共振吸聲結構。當聲波入射到該結構時，薄板在聲波交變激發(fā)下被迫振動，使板心彎曲變形，出現(xiàn)了板內部摩擦損耗，而將機械能變?yōu)闊崮?。在共振頻率時，消耗聲能最大。共振頻率 f0 的計算式如下：f0=600/M0L式中 M0 為板材的面密度(kgm2)；L 為板后空氣層的厚度(cm)。在同一材料中，板越厚，共振頻率越低；其后的空氣層越大，共振頻率也越低。這類結構在劇場中應用最廣。在觀眾廳、排練廳和琴室內的膠合板護墻即為薄板共振吸聲結構。共振頻率一般在

24、 60315Hz 范圍內。如在板后空腔內或龍骨邊緣填以多孔吸聲材料，可將吸聲頻帶展寬?！?7】22 穿孔板共振吸聲材料在薄板上穿孔，并離結構層一定距離安裝，就形成穿孔板共振吸聲結構。金屬板制品，膠合板、硬質板、石膏板和石棉水泥板等，在其表面開一定數(shù)量的孔，其后具有一定厚度的封閉空氣層就組成了穿孔板吸聲結構。它的吸聲性能是和板厚、孔徑、孔距、空氣層的厚度以及板后所填的多孔材料的性質和位置有關?！?8】它的吸聲特性是以一邊的頻率為中心呈 “山”形，主要是吸收中、低頻的聲能。穿孔板吸聲結構空腔聲材料時，最大吸聲系數(shù)約為 03-06，這時穿孔率不宜過大，以 1 一 50比較合適。穿孔率大，則吸聲系數(shù)峰

25、值下降，且吸聲帶寬變窄。在穿孔板吸聲結構空腔內放置多孔吸聲材料，可增大吸聲系數(shù)，并展寬有效吸聲頻帶，尤其當多孔材料貼近穿孔板時吸聲效果最好。23 微穿孔板共振吸聲材料【19】由于穿孔板吸聲結構存在吸聲頻帶較窄的缺點，近年來國內研制出了微穿孔板吸聲結構。著名聲學教授等奠定了微穿孔板吸聲結構的理論基礎，給出了具體設計方法，可以設計制造各種型式的微穿孔板吸聲結構。通常，采用板厚、孔徑均在 1 mm 以下，穿孔率為 1 一 3 的薄金屬板(通常用鋁板)與背后空氣層組成微穿孔板吸聲結構。微穿孔板的密；因此比穿孔板的聲阻大，而聲質量小，從而在吸聲系數(shù)和吸聲頻帶方面優(yōu)于穿孔板。微穿孔板結構不需在板后配置多孔

26、吸聲材料使結構大為簡化，同時具有衛(wèi)生、美觀、耐高溫等優(yōu)點。當用微穿孔板作時，在高速氣流條件下，阻力損失較小，因此，這類材料在空的消聲結構中應用較廣。13 / 503.多孔吸聲材料多孔材料是普遍應用的吸聲材料，按其所選材料的物理特性和外觀，主要分為材料和材料，而材料又分為無機材料和有機材料。31 無機吸聲材料【20】無機吸聲材料主要指巖棉、棉以及硅酸鋁棉等人造無機材料。棉分為短棉、超細棉以及中級3 種。這類材料不僅具有良好的吸聲性能而且具有質輕、不燃、不腐、不易老化等特性，在聲學工程中獲得廣泛的應用。但由于其性脆，受潮后吸聲性能下降嚴重、環(huán)境產(chǎn)生危害等，適用范圍受到很大的限制。目前這類吸聲材料采

27、用先進的方法，可以加工成氈狀、板狀等，經(jīng)過防潮處理后，可以生產(chǎn)出穩(wěn)定性好、吸濕率低、施工性能好的。32 有機吸聲材料早期使用的吸聲材料主要為植物制品，如棉麻、毛氈、甘蔗板、木質板以及稻草板等有機天然材料。有機材料主要是化學，如晴綸棉、滌綸棉等。這些材料在中、高頻范圍內具有良好的吸聲性能，但防火、防腐、防潮等性能較差，從而大大限制了其應用。33吸聲材料根據(jù)材料的物理化學性質的不同，吸聲材料可以分為金屬、塑料和吸聲材料?！?1】331金屬吸聲材料金屬是一種新型多孔吸聲材料，經(jīng)過發(fā)泡處理在其內部形成大量的氣泡，這些氣泡分布在連續(xù)的金屬相中孔隙結構，使金屬把連續(xù)相金屬的特性(如強度大、導熱性好、耐高溫

28、等)與分散相氣孔的特性(如阻尼性、性、絕緣性、消聲減震性等)有機結合在一起；同時，金屬還具有良好的電磁性和抗腐蝕性能 。金屬最早由美國 Ethyl 公司從 20 世紀 60 年始研究，我國對泡沫金屬的研制始于 20 世紀 80 年代?！?2】目前金屬研究已經(jīng)涉及到的金屬包括 Al、Ni、Cu、Mg 等，其中研究最多的是鋁及其合金。國內還有人對鋁的水下聲吸收特性及影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋁同時具有較好的水下吸聲性能。鋁已經(jīng)應用于空壓機房、列車發(fā)房、聲頻室、施工現(xiàn)場等吸聲領域，并取得了很好的效果。14 / 50332吸聲材料當前應用比較多的吸聲材料主要是聚氨酯。這種材料無臭、透氣、氣泡均勻、耐老化

29、、抗侵蝕，對金屬、木材、磚石、等有很強的粘合性。特別是硬質聚氨酯還具有很高的結構強度和絕緣性-l引。目前我國已開發(fā)研制并生產(chǎn)了阻燃聚氨酯板。該正面有一層不影響吸聲的阻燃薄膜覆蓋，防止灰塵和油水浸入堵塞泡孔。涂有不干膠，安裝時可直接粘貼。聚氨酯板是一種性能良好的強吸聲體，具有阻燃性好、容重輕、耐潮、易于切割和安裝方便等特點，適用于機電的隔聲罩，吸聲屏障，空調，以及在影劇院、會堂、廣播室、室、電視演播室等音質設計工程中混響時間。此外，用于吸聲材料的還有橡膠改性的聚丙烯、聚偏乙烯和聚胺酯等?！?3】333吸聲材料是以粉為原料，加入發(fā)泡劑及其它外摻劑經(jīng)高溫焙燒而成的輕質塊狀材料，其孔隙率可達 85以上

30、板厚度的增加對吸聲系數(shù)影響不明顯，因此一般選用 20 30mm 厚的板材，可以獲得比較高的性價比。具有質輕、不燃、不腐、不易老化、無氣味、受潮甚至吸水后不變形、易于切割、施工方便和產(chǎn)生粉塵污染環(huán)境等優(yōu)點，非常適合于要求潔凈環(huán)境的通風和空的消聲。由于板強度較低，背后不宜腔，否則容易損壞，所以靠增加空腔來提高此類材料低頻吸聲性能的方法，其效果較差。4.材料吸聲性能的評價吸聲材料的吸聲性能好壞，主要通過其吸聲系數(shù)的高、低來表示。吸聲系數(shù)是指聲波在物體表面反射時，其能量被吸收的百分率，通常用符號 a 表示，a 值越大，吸聲性能就越好。a=(EiEa)Ei式中，Ea 為未被吸收的聲能，Ei 為人射總聲能

31、。由于材料的吸聲系數(shù)有關，即同一材料各個頻率的吸聲系數(shù)是不同的。我國混響室法吸聲系數(shù)測量規(guī)定的測試頻率范圍為 1005 000 Hz。降噪系數(shù)(NRC)是取 250、500、1 000 和 2 000 4 個頻帶吸聲系數(shù)的平均值。NRC=(a250+a500+a1000+a2000)415 / 50對于室內音質設計和噪聲所用的吸聲材料，我國已制定吸聲性能等級劃分的標準 GBT16731-997。該標準規(guī)定了采用降噪系數(shù)的大小來評定材料的吸聲性能等級。大多數(shù)材料都有一定的吸聲能力，一般把平均吸聲系數(shù)大于 02 的材料稱為吸聲材料，平均吸聲系數(shù)大于 056 的材料稱為高效吸聲材料?！?4】吸聲材料

32、的研究與應用對于噪聲污染的治理具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的吸聲材料因其存在著諸多缺陷，如：降噪系數(shù)低、使用短、易潮解和二次污染等，已逐漸淡出市場而為新型吸聲材料所替代。多孔吸聲材料對于中高頻噪聲具有較好的吸聲效果，而共振吸聲材料則可以較好的吸收中低頻噪聲?！?5】因此，如何在研究新材料、新工藝、新結構等方面，特別是在如何利用新型構造形式最大限度地發(fā)揮吸聲材料的吸聲性能，設計出適合各種場合需求的新結構，將是未來吸聲材料發(fā)展的一大趨勢。這就需要走材料復合的道路，把無機材料與有機材料復合，將多孔吸聲與共振吸聲相結合，開發(fā)新一代高效吸聲材料；同時，還應進一步降低生產(chǎn)成本，使生產(chǎn)規(guī)?；瘍?yōu)質化，吸聲材料的研

33、究任重道遠【26】（32）石墨烯氣凝膠的特點和吸聲特性首先介紹一下相關的吸聲測量方法吸聲測量是對材料或結構的吸聲系數(shù)和吸聲量或者對整個房間的吸聲量進定，以便利用已知吸聲特性的材料或結構，物內的噪聲，或者創(chuàng)造較為理想的聲學環(huán)境。吸聲測量的測量頻率范圍一般為 1004000 赫，有特殊要求時可以擴大到508000 赫。在測量頻率范圍內，其頻帶寬度為 1/3 倍頻帶或倍頻帶。吸聲測量有三種方法：駐波管法、混響室法和穩(wěn)態(tài)聲源法。駐波管法：當平面波在前進并受到端部壁面反射時,會產(chǎn)生一反射的平面波,其方向與入射波相反。此時在會形成駐波，駐波有固定的波節(jié)和波腹。波節(jié)處的聲壓為極小值，波腹處的聲壓為極大值。當

34、反射壁面為剛性壁面時，波節(jié)處和波腹處的聲壓差值最大。反射壁面吸收聲能的能力愈大，則反射波的聲能愈小，形成的聲壓差值也就愈小。16 / 50駐波的波節(jié)和波腹之間的距離為 /4， 為所測的波長。駐波管要有堅硬而光滑的內表面，通常用黃銅管或大理石板制成。為了在形成平面波，在設計和制作駐波管時，應使管徑同最高測試頻率所對應的波長相適應，就是使管徑 D 大于或等于 /2, 為最高測試頻率對應的波長；同時，為了能測量最低頻率的聲壓極大值和極小值，應使管長 l 大于 /4, 為最低頻率對應的波長。測量頻率為 1002000，管徑 D 為 10 厘米，管長 l為 120 厘米；超過 2000,則用 D=3 厘

35、米、l=50 厘米的銅管。當測量消聲尖劈時，測試頻率為 50400 赫,駐波管應用截面為 20×20 厘度為 23 米的大理。【27】圖為駐波管示意圖。圖中的 1 為管體；2 為直徑 20 厘米的揚聲器，由正弦信號發(fā)生器激發(fā)，在產(chǎn)生平面聲波；3 為安裝試件的剛性壁；4 為傳聲器，為了防止外界噪聲的干擾，將傳聲器設在一個隔聲較好的小車內,在其前部裝有探管 5。小車移動時，可以從頻譜儀（或頻率分析儀）表頭上讀出最大值和最小值。一般頻譜儀表頭上有吸聲系數(shù) 的刻度， 可直接讀出 值。 測量時，先將試件安裝蓋（即剛性壁）固定在駐波管上,用油泥密封好，測量空管各個頻率的本底吸收,此值應小于 5。

36、然后安裝被測試件,也用油泥密封。移動小車找出極大值（試件表面附近）；并將頻譜儀表頭指針調至滿刻度（即 100）,再移動小車找出極小值；此時表上的讀數(shù)就是試件的吸聲系數(shù)。通常取三塊同樣試件進量，取平均值表示該材料的吸聲系數(shù)。駐波管除了用于測量試件的吸聲系數(shù)外，還用于測量材料表面的聲阻抗?！?8】混響室法將試件在一無規(guī)入射的擴散聲場中，在聲源突然停止后，測量其混響時間，如已知空室（即未安裝試件時）的混響時間，即可算出試件的吸聲系數(shù) T?；祉懯业捏w積由下式?jīng)Q定：17 / 50V4 式中 V 為混響室的體積（米）； 為測量的最低頻率所對應的波長（米）。通常 V 200 米?；祉懯业拈L、寬、高之比應成調

37、和級數(shù),而 lmax1.9V。其混響時間應滿足下表的要求：125500 赫 1000 赫 2000 赫 4000 赫>5 秒>4.5 秒>3.5 秒>2.0 秒為了獲得較好的擴散聲場，混響室內布置擴散體、擴散板或足夠大的轉帆。實驗證明，擴散板總面積如等于地面面積 50以上，即能滿足使用要求。轉帆面積一般為 10 平方米左右，每分鐘旋轉 210 轉?！?9】測量混響時間所用的信號源是多種多樣的，有囀聲、白噪聲、粉紅噪聲。在劇場測量混響時間時，有時用發(fā)令槍、鞭 或者交響樂隊。通常以粉紅噪聲加 1/3 倍頻帶或倍頻帶濾波器做聲源。在信號源和濾波器之間加一開關，作為切斷信號之用

38、。如功率放大器質量不高， 揚聲器會在切斷信號后仍發(fā)出交流聲，影響測量。因此，最好在功率放大器和揚聲器之間加接開關，用短路揚聲器的方法切斷聲源；但在這種情況下應加一假負載，以防止燒毀功率放大器。應使用頻響較好的電容傳聲器，經(jīng)頻譜儀選頻放大后的信號輸給級儀，用 10 或 30 毫米每秒的上的測點，每個測點要紙速將混響衰變曲線下來。測試規(guī)范要求每個頻帶要有三個以三條以上的衰變曲線：曲線衰變量要在 30 分貝以上，曲線不能是折線或弧線。在測量時，要選擇合適的紙速，使衰變曲線與的夾角在 45°左右。將每個頻帶的衰變曲線用計算圓盤量出其混響時間，取其平均值，即為該頻率的混響時間。現(xiàn)在有測量混響的

39、設備，可直接測出混響時間。在混響室中測量時，聲源應放在墻角處，其聲功率應足夠大；傳聲器位置應符合測試規(guī)范要求。通常，將試件放在地面上，長寬應符合一定比例,即 1:0.7。試件面積約 10 米。如果試件為空間吸聲體時,則應將其懸掛在天花板上。測量時，應同時測量空室（未放試件）和滿室（已放試件）的混響時間。對于空氣吸收的以忽略，或者進行修正（在高頻）。混響室法測量的吸聲系數(shù)按下式計算：【30】式中 A 為材料或結構的總吸聲量；c 為空氣中的聲速;V 為混響室體積;T1 和 T2 為滿室和空室的混響時間;m1 和 m2 為滿室和空室的空氣吸收系數(shù)； T 為材料或結構的吸聲系數(shù);S 為試件總面積。如滿

40、室和空室同時測定,則 m2=m1，式中 4(m2-m1)一項可以忽略。穩(wěn)態(tài)聲源法此法系利用一穩(wěn)態(tài)的標準聲功率源作為測試聲源，進行聲壓級精密測量。此法對聲級計的精度要求很高，因此，只有在不能使用上述兩種方法的情況下，特別是不能形成擴散聲場的有強吸收的房間或廳堂才使用。用此法測量時，聲源應放在遠離材料表面的地方。聲壓級的測點和聲源的距離不能過遠或過近，一般為 12 米。精密聲級計必須配有倍頻帶或 1/3 倍頻帶濾波器，以便測試所需要的頻帶。測量一次后，聲源應改變一下位置或方向，重測一次，取兩次的平均值。室內總吸收量由下式?jīng)Q定：式中 A 為室內總吸收量；岧 W 為標準聲源的聲功率級;岧 p 為同一頻

41、帶的聲壓級。只有測出岧 p 之微小分貝差數(shù)，方能達到足夠的精度。此法在現(xiàn)場測量隔聲量時較為有用。18 / 50總的來說，駐波管法測試便捷，不需要特殊的和大面積的吸聲材料，便于多種材料的比較。要選取其中較佳的幾種，再進行混響室法測量?；祉懯曳ㄊ窃跓o規(guī)入射聲場中進行的,比駐波管法更符合實際情況,而且對任何類型的材料或結構都可以測試。而駐波管法只能測試多孔材料、穿孔板結構或微穿孔板結構。穩(wěn)態(tài)聲源法則適于測定非擴散情況下的室內吸收。因此，在選用吸聲系數(shù)時應注意使用條件和測試條件盡量一致。石墨烯的宏觀結構是稀疏質輕的材料，我們可以從下面兩幅圖了解它【31】我們可以根據(jù)這些特性使不同孔隙率和孔徑梯度的石墨

42、烯氣凝膠相互嵌合與疊加，有望達到吸收高中低平率的噪聲！19 / 50第四部分：設計方案論證一、目標及步驟課題目標： 在完成步驟：出不同孔隙率的石墨烯氣凝膠樣品，并測試吸聲性能1）氧化石墨的；2）氧化石墨分散液的還原；3）石墨烯氣凝膠的；4）SEM 表征以及吸聲性能的測試。二、方案設計和實現(xiàn)采用 hummers 法在樣品純度和完整性比較高。條件下得到氧化石墨比較方便簡單易行，并且所得20 / 501、干燥反應容器三角瓶（! 液體要從三角瓶的側面的角倒入，固體從中間的角加入），保證里面無水狀態(tài)，放入磁子（一定要選出一個比較好的磁子，不然的話會轉不動還得再做一次，特別麻煩）；2、把三角瓶放在冰水中（

43、-4），用來吸收接下來放熱反應放出的大量的熱3、用量筒稱取濃度為 98%的濃硫酸 92ml，用倒入三角瓶棒從三角瓶的側面角緩緩4、用分析天平稱取 EG（膨脹石墨）4g 從中間管角慢入瓶5、用分析天平稱取 2g 慢入瓶6、用分析天平稱取 12g（分三次慢入瓶，每次間隔 15 分鐘左右， 3g×4、15min/per）7、把三角瓶置于 35+3恒溫油浴攪拌保溫12 小時，套上保鮮膜8、12 小時之后，添加 40溫水 184ml，繼續(xù)用棒攪拌，磁子轉動9、把溫度調至 98（先調至 92，因為是油浴，沸點比較高）1520min，加60的溫水（560-92-184）=284ml 使三角瓶內溶液

44、至 560ml，接著加 （1020ml）趁熱過濾10、過濾時（注意濾紙的使用一定要準確）使用 5%HCl 洗滌，并注意用吸管把上面漂浮著的塊狀物體吸取出來；11、離心：每組六個，離心 30min，一定要保證每個試管的質量一樣，蓋子擰緊， 不然在 6000r/s 的狀態(tài)下蓋子會彈出，質量一致也是對機械的一種保護；（加去離子水，反復離心 4 次）12、把離心得到的氧化石墨用去離子水溶解在大燒杯里，接著 60干燥 48h 得到氧化石墨固體13、稱取 0.4g/1.2g/2g 氧化石墨樣品 溶解到 400ml 去離子水中，超聲一段時間（超聲儀兩圈）后得到 1mg/ml、3mg/ml、5mg/ml 的分

45、散液，加入 VC 的質量分別是 1.5g、2.5g、3.0g（抗壞血酸），然后磁力攪拌一段時間后置于 60的烘箱里15h14、接著用清水泡 2 天，期間換兩次水，最后加氨水，冷凍干燥，得到石墨烯氣凝膠三、SEM 表征和吸聲測試用 SEM 觀測石墨烯表面微觀結構，并且測試吸聲性能；通過觀測和比較得出結論21 / 50第五部分：原始實驗規(guī)則：一切操作要嚴格按照安全準則進行，不得進行嘗試，注意環(huán)境，保持衛(wèi)生，實驗結束時保證整潔，做實驗時要帶手套以保證安全，請節(jié)約耗材，廢液不要私自亂到，應由專門集中處理。實驗指導：實驗操作：發(fā)、實驗者：發(fā)石墨稀氣凝膠的實驗：（x3）1、干燥反應容器三角瓶（! 液體要從

46、三角瓶的側面的角倒入，固體從中間的角加入），保證里面無水狀態(tài)，放入磁子（一定要選出一個比較好的磁子，不然的話會轉不動還得再做一次，特別麻煩）；2、把三角瓶放在冰水中（-4），用來吸收接下來放熱反應放出的大量的熱3、用量筒稱取濃度為 98%的濃硫酸 92ml，用玻璃棒瓶從三角瓶的側面角緩緩倒入三角4、用分析天平稱取 EG（膨脹石墨）4g 從中間管角慢入瓶5、用分析天平稱取 2g 慢入瓶6、用分析天平稱取 12g（分三次慢入瓶，每次間隔 15 分鐘左右，3g×4、15min/per）7、把三角瓶置于 35+3恒溫油浴攪拌保溫12 小時，套上保鮮膜22 / 50實驗：（x3）8、12 小時

47、之后，添加 40溫水 184ml，繼續(xù)用9、把溫度調至 98（先調至 92，因為是油浴，沸點比較高）1520min，加 60 的溫水（560-92-184）=284ml 使三角瓶內溶液至560ml，接著加 （1020ml）趁熱過濾10、過濾時（注意濾紙的使用一定要準確） 使用 5%HCl 洗滌，并注意用吸管把上面漂浮著的塊狀物體吸取出來；11、離心：每組六個，離心 30min，一定要保證每個試管的質量一樣，蓋子擰緊，不然在 6000r/s 的狀態(tài)下蓋子會彈出，質量一致也是對機械的一種保護；（加去離子水，反復離心 4 次）棒攪拌，磁子轉動實驗：（重復了 5 遍）12、把離心得到的氧化石墨用去離子

48、水溶解在大燒杯里，接著 60干燥 48h 得到氧化石墨固體13、稱取 0.4g/1.2g/2g 氧化石墨樣品 溶解到 400ml 去離子水中，超聲一段時間（超聲儀兩圈）后得到 1mg/ml、3mg/ml、5mg/ml 的分散液，加入 VC 的質量分別是 1.5g、2.5g、3.0g（抗壞血酸），然后磁力攪拌一段時間后置于 60的烘箱里15h23 / 50實驗（重復了 5 遍）14、接著用清水泡 2 天，期間換兩次水，最后加氨水，冷凍干燥，得到石墨烯氣凝膠實驗：Sem 和吸聲系數(shù)15、石墨烯氣凝膠的 SEM 表征：24 / 5016：石墨烯氣凝膠的吸聲測試：樣品一（5mg/ml厚度 15mm 結

49、構整體性好）樣品一 10.90.80.70.60.50.40.30.20.10500100015002000250030003500 4000頻率 (Hz)4500500055006000樣品二（1mg/ml4mm 結構整體性一般）樣品二 10.90.80.70.60.50.40.30.20.1MPPNIACExp141202Sample2Graphenet10500100015002000250030003500頻率 (Hz)40004500500055006000樣品三（2.5mg/ml4mm 結構整體性一般）25 / 50正入射吸聲系數(shù) 正入射吸收系數(shù)X: 1490Y: 0.6552MP

50、PNIACExp141202Sample1Graphenet1樣品三 10.90.80.70.60.50.40.30.20.1050010001500200025003000350040004500500055006000樣品四（3mg/ml9mm 結構整體性好）樣品四 10.90.80.70.60.5MPPNIACExp141202Sample4Graphenet10.40.30.20.1050010001500200025003000頻率 (Hz)35004000450050005500600026 / 50正入射吸聲系數(shù)正入射吸聲系數(shù)第六部分：結題(摘要)報告石墨烯氣凝膠，也可以稱作碳海

51、綿，是世界上最輕的一類物質，它的內部有很多孔隙，充滿空氣。同時，石墨烯氣凝膠可任意調節(jié)形狀，彈性也很好，被壓縮 80%后仍可恢復原狀。它對有超快、超高的吸附力，石墨烯氣凝膠繼承了石墨烯和氣凝膠高比表面積、高孔隙率、高電導率以及良好的熱導率和機械強度等優(yōu)點，使其在學術領域引起了科研工作者的極大關注和研究。對噪聲的防治措施主要是聲源和采用吸聲材料 。聲源主要是通過改進設備結構，提高和裝配質量，以降低聲源的輻射能量；而實際應用中最有效的噪聲治理則是通過采用吸聲材料來達到降噪的效果。按照材料的吸聲機理，多孔、或者表面粗糙不規(guī)則的材料可以很好地反射和吸收一大部分聲音，以達到更好的音效！而石墨烯氣凝膠的微觀結構呈現(xiàn)多孔結構，可以將其運用到吸聲領域中去?？梢酝ㄟ^調節(jié)氣凝膠內部的孔徑梯度和孔隙率，從而達到全部吸收高頻、中頻、低頻的噪音的效果。同時，與現(xiàn)有多孔吸聲材料相比，石墨烯氣凝膠具有質輕、阻燃、無毒、耐腐等優(yōu)點。關