具有频率可调吸收频带的梯度蛋黄 - 蛋壳共振器结构用于水下声学吸收

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Gradient Yolk-Shell Resonators Structures with Frequency Tunable Absorption Bands for Underwater Acoustic Absorption

　　

摘要

传统水下吸声材料存在频率吸收带固定、高压环境下性能显著退化等缺陷。本研究提出一种复合功能梯度声学结构（CFAS），通过将具有分级空腔尺寸和可控界面微观结构的蛋黄壳型BCZT@SiO₂纳米颗粒引入聚氨酯基体中制备而成。该层状梯度架构诱导了顺序共振效应，将有效吸收频带从3–4 kHz拓宽至1–9 kHz，且CFAS材料的平均吸声系数相比纯树脂提高了30%以上。机理分析表明，宽带吸声源于梯度结构中蛋黄壳空腔共振、压电能量转换以及多界面阻尼的协同作用。合理的界面设计与逐层固化工艺也确保了优异的机械稳定性。本研究阐明了基于蛋黄壳结构梯度材料的结构-界面-性能关系，为高性能宽带声学衰减材料提供了通用的多尺度制备路线。

引言

水下吸声材料是深海设备不可或缺的关键组成部分[1]，[2]，[3]。深海技术的快速发展对复杂水下环境中的宽带衰减性能和静水压力稳定性提出了日益严苛的要求[4]，[5]，[6]。因此，开发同时满足上述双重需求的高性能声学材料已成为战略性研究重点[7]，[8]，[9]。

传统水下吸声材料主要依赖粘弹性阻尼或多孔结构耗散[10]，[11]，[12]，[13]，[14]。然而，它们存在固有缺陷：粘弹性材料由于分子弛豫时间固定而导致吸收频带较窄，无法有效应对频率变化的声信号[15]，[16]，[17]；多孔材料虽然频带较宽，但在静水压力下由于孔隙压缩容易发生机械不稳定和性能严重退化[18]，[19]。此外，与水之间的声阻抗失配会导致强烈的界面反射，进一步降低吸声效率[20]，[21]。因此，这些材料无法满足深海应用中宽带响应与压力稳定性的综合需求。为克服上述局限性，研究者探索了多种策略。局部共振器（如含空腔散射体）通过空腔共振实现亚波长吸收和可调频率响应[22]，[23]，[24]。压电颗粒也被引入聚合物基体中，以引入声-电能量转换作为额外的阻尼机制[25]，[26]。尽管取得了这些进展，现有设计通常受限于由单一尺寸共振器决定的狭窄频带范围，且由于空腔变形而在压力下高度敏感[27]，[28]，[29]。此外，在保持压力下结构完整性的同时，将多种耗散机制整合到单一材料体系中的挑战依然存在[30]，[31]。

近期在功能梯度材料和多尺度结构设计方面的进展为宽带吸声开辟了新途径。具有空间变化特性的梯度结构可在频率范围内实现顺序共振，从而拓宽有效吸收频带[32]，[33]。在此前的研究中，我们已对核壳共振的水下声学特性进行了探索[34]。

本研究提出一种复合功能梯度声学结构（CFAS），通过将具有分级空腔尺寸和可控界面微观结构的蛋黄壳型BCZT@SiO₂纳米颗粒引入聚氨酯基体中构建而成。该层状梯度架构实现了顺序共振和宽带声学衰减。我们对这种梯度结构的吸声性能、压力稳定性和内在机理进行了系统研究。本研究旨在阐明基于蛋黄壳结构梯度共振材料的结构-界面-性能关系，并为高性能水下声学衰减应用建立通用的多尺度制备路线。

各节摘要

实验部分

本节简要描述了BCZT@SiO₂的核心制备流程。详细的逐步合成方案和完整的测试参数数据集可在补充信息实验部分中找到。

CFAS的合成与应用

图1以示意图形式展示了复合功能梯度声学结构（CFAS）中纳米结构设计、宏观性能与实际应用的整合，以增强水下吸声效果。图1a和图1b展示了蛋黄壳型纳米颗粒的形貌特征。SEM图像显示颗粒呈均匀球形，表面粗糙，YS1的平均直径为654.6 ± 44.67 nm，YS2的平均直径为516.47 ± 53.30 nm。图S4所示的TEM图像

结论

我们通过将具有分级空腔尺寸的蛋黄壳型BCZT@SiO₂纳米颗粒整合到聚氨酯基体中，开发了一种复合功能梯度声学结构（CFAS）。梯度架构实现了顺序共振，将吸收频带从3–4 kHz拓宽至1–9 kHz，吸声系数相比纯树脂材料提高了30%以上。值得注意的是，吸收方向表现出频率选择性：由小到大空腔梯度（B型）有利于低

CRediT作者贡献声明

王云明：撰写—审阅与编辑、验证、监督、项目管理、概念化。夏微邦：形式化分析。程其宽：可视化。黄贝贝：验证、调查研究。杜佳伟：调查研究、数据管理。张璐：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、验证、调查研究、形式化分析、数据管理

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可根据合理请求向通讯作者获取。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究获得了国家重点研发计划（项目编号：2024ZD1404705）、泰安市科技创新双十工程（项目编号：2024JSGG07）以及国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3407002）的资助。

张璐|杜佳伟|黄贝贝|程其宽|夏微邦|王云明