综述：天然废弃生物复合材料的声学性能进展：当前趋势、应用与未来展望

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Advancements in acoustic properties of natural waste biocomposites: current trends, applications, and future perspectives

本综述系统梳理了天然废弃生物复合材料在声学性能方面的最新研究进展。文章聚焦于利用农业残留物、林业废弃物等可持续材料，通过压缩模塑、3D打印等先进工艺制备高性能声学材料。重点分析了材料的吸声系数（SAC）、噪声衰减及振动阻尼特性，并探讨了纳米增强（如CNCs）、杂化复合（如PLA/麻纤维）等策略对性能的提升（SAC可达0.6–0.8）。文章还评估了材料在建筑、汽车等领域的实际应用潜力，指出其规模化、耐久性及经济性仍是当前挑战，为绿色声学材料的开发提供了重要参考。

　　

随着全球向可持续材料的转变，利用天然废弃生物复合材料作为环保解决方案来应对当代环境和工业噪声挑战已成为必然趋势。这类材料源自农业残留物（如甘蔗渣、稻壳）、林业废弃物、工业副产品及城市固体废物等，通过一系列先进的加工技术，可转化为具有优异声学性能的生物复合材料。

天然废弃生物复合材料的类型与进展

废弃生物质主要包括农业残留物、城市固体废物、工业副产品和林业废弃物等。这些材料可根据来源分为第一代（1G，如甘蔗、玉米）、第二代（2G，如非粮作物）等，其声学性能因纤维类型和结构而异。例如，甘蔗渣基生物复合材料在800 Hz频率下可实现高达0.93的吸声系数（SAC），而松木微纤维复合材料在混响室测试中也显示出显著的吸声特性。城市固体废物如香蕉纤维增强的再生纸浆生物复合材料，在250–4000 Hz频率范围内吸声系数达0.55。工业副产品如腰果渣与桃花心木果实杂交复合材料在汽车内饰和隔音板中展现出良好的热学和声学性能。林业废弃物如阿尔法纤维和木纤维生物复合材料在2048–2288 Hz频率范围内SAC值高达0.98。这些材料通过发酵、厌氧消化、热解等增值技术转化为高价值产品，为循环经济提供了新途径。

加工技术与复合材料制备

生物复合材料的制备技术显著影响其声学性能。压缩模塑是一种常用方法，通过将天然纤维（如废弃羊毛、鸡毛）与生物聚合物（如聚乳酸PLA）在加热板间压制，形成均匀厚度的材料。例如，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）与废纸（WP）通过压缩模塑制成的全降解生物复合材料，显示出良好的生物降解性和声学性能。注射成型则将可生物降解聚合物与天然纤维混合，加热后注入模具，冷却成型，此方法成本较低，适用于大规模生产。溶剂铸造涉及将聚合物与天然纤维溶解在溶剂中，浇铸成膜，适用于生产薄层吸声材料。杂化复合技术通过结合两种或以上纤维（如天然-天然或天然-合成）优化性能，例如姜淀粉与阿拉伯树胶杂交生物复合材料，显示出增强的机械和声学特性。近年来，3D打印等增材制造技术实现了复杂结构的精准制造，如聚乳酸（PLA）/软木纤维复合材料的微穿孔板（MPP），通过数字化光处理（DLP）打印，实现了可调的吸声性能。

纳米材料增强是另一重要策略。碳纳米管、石墨烯等纳米材料与天然纤维结合，可显著提高生物复合材料的机械强度和声学性能。例如，碳纳米材料增强的稻秆纤维用于生物传感器开发，实现了对尿液中黄嘌呤的高灵敏度检测。此外，回收塑料（如rPET、rPP）与天然纤维的杂交，不仅提升了声学性能，还实现了废塑料的价值化，如废弃口罩聚丙烯（PP）与椰枣叶纤维复合材料，在建筑隔热和吸声方面表现出色。

声学性能的表征方法

声学性能的表征主要涉及吸声、隔声和振动阻尼的测量。吸声系数（SAC）通过阻抗管法或混响室法测定。阻抗管法适用于小样品，可测量正常入射的吸声系数，但存在频率限制和误差。为此，开发了智能误差校正系统（如PSO驱动方法）来减少测量偏差。混响室法通过测量混响时间（RT₆₀）评估大材料的吸声性能，适用于实际应用场景。多麦克风阵列系统和3D打印模块化管等新技术，提升了低频（<500 Hz）和斜入射测量的准确性。

隔声性能通过传声损失（STL）测量，常用传声损失套房和声强探头在受控环境中进行。例如，夹层生物复合结构在1 Hz至10 kHz频率范围内传声损失超过30 dB，其性能受相对密度、板厚度和声入射角的影响。振动阻尼则通过动态机械分析（DMA）测量损耗因子（tan δ）和模量，或采用激光多普勒测振仪（LDV）非接触测量表面振动。天然纤维如亚麻纤维复合材料在特定取向（45°）下可最大化模态阻尼，降低声辐射。

新兴的混合测量技术结合了机器学习和有限元分析（FEA），能够预测材料声学行为，减少实验迭代。例如，广义回归神经网络（GRNN）可根据材料属性快速预测吸声系数，为新材料开发提供高效工具。

声学性能的影响因素与机制

生物复合材料的声学性能受孔隙率、密度和微观结构等因素的显著影响。开孔结构（孔径50–500 μm）通过粘性空气摩擦将声能转化为热能，孔隙率达80%的材料吸声性能比闭孔材料高30%。最佳密度范围（150–300 kg/m³）可平衡流阻和结构刚性，密度过高（>400 kg/m³）则会反射声音，降低吸声。纤维取向和分布也至关重要，良好排列的纤维网络提供更多声波衰减路径。例如，纤维素/二氧化硅/氧化锌生物复合材料通过优化孔径（5.63 m²/g比表面积，22 nm孔径）和均匀颗粒分布，在5000 Hz频率下SAC达0.97。

天然纤维的固有特性，如纤维素的轻质和纤维结构，有助于增强声学性能。废弃牛仔布制成的可持续吸声板，通过优化厚度、密度和树脂含量，在63–6300 Hz频率范围内呈现宽带吸声，混响时间降低60%。剑麻和红麻纤维复合材料在3000 Hz频率下吸声系数达0.47，传声损失为19.48 dB。杂交复合材料如日期纤维与回收聚丙烯（PP）结合，在保持可持续性的同时，实现了良好的隔声和隔热性能。

与传统材料的比较及应用前景

与传统材料（如矿物棉、合成泡沫）相比，天然废弃生物复合材料在吸声性能上具有竞争力。例如，天然纤维在中高频（1000–5000 Hz）的SAC值为0.6–0.9，而玻璃棉和岩棉的SAC约为0.7，但后者密度更高且环境负面影响大。生物复合材料可生物降解，碳足迹低，符合循环经济原则。生命周期评估（LCA）显示，大麻基生物复合材料的全球变暖潜能降低79%，凸显其环境优势。

这些材料在建筑、汽车、航空航天等领域有广泛应用。在建筑中，用于墙板和天花板瓷砖，提供隔热和吸声；汽车行业中，用于内饰部件，实现轻量化和噪声管理；航空航天领域，则探索用于机舱噪声控制。智能生物复合材料通过集成形状记忆合金（如镍钛合金）等功能材料，可实现声学性能的实时调节，适应变化的环境条件。

挑战与未来展望

尽管天然废弃生物复合材料前景广阔，但仍面临规模化生产、耐久性、经济可行性等挑战。天然纤维的性能波动较大，受季节、地理和加工因素影响，难以保证产品一致性。生物复合材料易吸湿、生物降解，在长期使用中性能可能下降。通过化学处理（如涂层）和纳米颗粒添加（如二氧化钛）可改善耐湿性，但可能引发环境担忧。经济上，尽管初始成本较高，但较低的处置成本和潜在的政策激励可提升其可行性。

未来研究应聚焦于纳米处理改善纤维疏水性、开发具有形状记忆功能的智能生物复合材料，以及制定标准化测试协议（如ISO 10534-2）。政策支持和技术创新将推动这些材料在更多领域替代传统声学材料，为可持续发展贡献力量。