Sound insulation properties in low-density, mechanically strong and ductile nanoporous polyurea aerogels

气凝胶 材料科学 声音传输等级 孔力学 比奥数 隔音 复合材料 传输损耗 纳米孔 聚脲 多孔介质 多孔性 声学 纳米技术 机械 物理 涂层
作者
Sadeq Malakooti,Habel Gitogo Churu,Alison Lee,Tingge Xu,Huiyang Luo,Ning Xiang,Chariklia Sotiriou‐Leventis,Nicholas Leventis,Hongbing Lu
出处
期刊:Journal of Non-crystalline Solids [Elsevier]
卷期号:476: 36-45 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2017.09.005
摘要

Aerogels are quasi-stable, nanoporous, low-density, three-dimensional assemblies of nanoparticles. In this paper, an extremely high sound transmission loss for a family of ductile polyurea aerogels (e.g., over 30 dB within 1 to 4 kHz at bulk density 0.25 g/cm3 and 5 mm thickness) is reported. The fundamental mechanisms behind the aerogel acoustic attenuations are investigated. Sharing striking similarities with acoustic metamaterials, initially, aerogels are studied via a one-dimensional multi degree-of-freedom mass-spring system. Different effects such as spring constant disparity are investigated in regards to the structural vibration wave transmission loss. Results are given for different configurations consistent with the aerogel nano/microstructures. A significant wave attenuation is observed by considering a random spring distribution. In the next step towards modeling such a complex hierarchical and random structural material, the continuum Biot's dynamic theory of poroelasticity is implemented to analyze the experimental sound transmission loss results. In this framework, a two-dimensional plane strain analysis is considered for the interaction of a steady state time-harmonic plane acoustic wave with an infinite aerogel layer immersed in and saturated with air. The effects of bulk density and thickness on the aerogel sound transmission loss are elucidated. By comparing the theoretical results with the experimental observations, this study develops a qualitative/quantitative basis for the dynamics of the aerogel nanoparticle network as well as the air flow and solid vibroacoustic interactions. This basis provides a better understanding on the overall acoustic properties of the aerogels that might also be helpful in the design of the future hierarchical materials.
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