超轻石墨烯气凝胶制备全部文书结题报告

1、目录第一部分：项目内容诚信第二部分：项目简介第三部分：文献综述第四部分：设计方案论证第五部分：原始实验第六部分：结题()报告第七部分：专利受理书第八部分：心得体会1 / 50第一部分：项目内容诚信本项目小组郑重：所呈交的项目内容(包括文献资料综述、研究或设计方案论证材料、经整理归类的原始、或设计报告、实物、软件、专利、心得体会、电子展板等各项成果支撑材料和相关的电子文档即光盘），是本小组在相关的指导下，小组全体成员合作进行研究工作所取得的成果。项目内容所包括的文献、数据、实物、图片、软件、专利等资料均已经注明引用及其出处，对本项目成果的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在项目内容中以明确方式表

2、明。本小组全体成员完全本的法律后果，项目内容因而造成的任。之处，本小组全体成员愿意承担相应的法律责项目组签名：项目组成员签名：指导签名：年月日2 / 50第二部分：项目简介对于当下很热门的材料石墨烯，以及吸声机理的认识，我们了解到石墨烯气凝胶质轻、耐腐蚀、阻燃的宏观特性和目前普遍使用的复合吸声材料的一些不足之处，我们研究了把石墨烯做成气凝胶之后它对声音的吸收效果，还用SEM 表征气凝胶的表面微观结构。本项目完成了以下石墨烯气凝胶的工艺：1. 以天然石墨（GO）为起始原料，采用 hummers 方法氧化石墨得到氧化石墨烯；2. 然后将氧化石墨烯溶液进行还原反应，得到石墨烯水凝胶块体，进一步冷冻干

3、燥除去水分获得石墨烯气凝胶；3. 或者直接将氧化石墨烯溶液先进行冷冻干燥得到氧化石墨烯气凝胶，再进行高温还原转变为石墨烯气凝胶；4. 测试石墨烯气凝胶的吸声特性，采用 SEM 表征气凝胶孔隙大小，研究孔隙率大小、孔径梯度分布等微观结构因素对吸声性能的影响；5. 调节冷冻干燥和胶材料。还原的工艺参数，获得孔隙可调的高效吸声石墨烯气凝利用上述的实验技术路线，我们出不同氧化石墨烯溶液，并且得到不同孔隙率的石墨烯气凝胶，经过驻波管的测试，我们得到了相当满意的结果石墨烯气凝胶具有很好的吸声性能，并且不同孔隙率的气凝胶的嵌合会使吸声频带更大，这一实验结果可能会使石墨烯或者说是石墨烯气凝胶有更广阔的应用，我

4、们可以先在一些更加或者高端的地方使用，然后逐渐地降低成本，使“石墨烯气凝胶”逐步取代“硅”， 本项目理念创新，成果应用广。石墨烯气凝胶能够宽频带地吸声测试的实现不仅能够扩大石墨烯这一热门产业甚至说是产业链的发展，而且可以藉此尖端设备开展未知领域。性前沿科学研究，探索科学上的3 / 50第三部分：文献综述目录一、石墨烯的前世今生与未来（1.1）石墨烯的横空出世（1.2）石墨烯与碳纳米管的不同（1.3）不同的未来（1.4）应用领域广泛市场潜力无限二、石墨烯气凝胶的及其特性（2.1）石墨烯气凝胶的（2.2）微观和宏观结构特性三、关于噪声和吸声方法的讨论（3.1）吸声材料的广泛应用（3.2）石墨烯气凝

5、胶的特点和吸声特性4 / 50一、石墨烯的前世今生与未来（1.1）石墨烯的横空出世】5 / 50石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世，更是迥异的未来。石墨烯作为石墨（及后来的碳纳米管）的基本结构单元在理论上已被研究长达 60 余年。在 Geim 和 Novoselov 的工作之前，薄层石 墨已有多处。例如，哥仑大学（Columbia University）【1】的 Philip Kim【2】和德克萨斯大学澳斯汀分校（University of Texas at Austin）的 Rodney Rouff【3】（当时在 Washington University）对石墨剥离薄层石墨片进行过

6、研究，很可惜未得到单层石墨烯。这千呼万唤始出来的矜持的姿态就注定了石墨烯高贵华丽的今生【42010 年 10 月 4 日，奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，(他们两个是师徒关系，都出生于 )获奖理由为“二 材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。从 2004 年石墨烯被 剥离至 2010 年斩获 奖，是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的 6 年时间内缔造了一个 神话？而回眸看其同族兄弟碳纳米管，自 1991 年被发现至今近 20 年，历经风雨，几经沉浮，不过是“为他人做嫁衣裳”。（1.2）石墨

7、烯与碳纳米管的不同【5】石墨烯即为“单层石墨片”，是 石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构（图 1）。作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，二者在结构和性能上具有互补性。从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层 ，是真正意义上的二维晶体结构。从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、 子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。目前，关于碳纳米管的研究，无论在 技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。组成及结构上的紧密 ，使二者在研究方法上具有许多相通之处。事实上，很多 石墨烯的

8、研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。6 / 50图 1 ：石墨烯与碳纳米管石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构主要有三种：石墨、石和富勒烯（以 C60 为代表【6】）。当时，对于碳（已工业化应用）和碳纳米都已经有了很充分的研究；在碳纳米管被发现【7】之后，人们开始关注碳纳米管与碳纳米之间的异同。从表面上看，在晶体结构上，碳纳米的晶化程度相对较差，缺陷较多，石墨层片排列不连续，直径较大，并不真正属于碳的晶体结构， 或者仅算是石墨的一种衍生物。如果单从这一点来看，碳纳米管的出现似乎仅是碳纳米的一个延伸。因此，有一些人并不把碳纳米管的发现归功于 S

9、umio Iijima【8】。事实上， 碳纳米管的发现意义体现在人类观念的更新，标志着对碳晶体结构（甚至整个碳范式）有了更为深入的认识，是本质上迈进的一大步。尤其是碳纳米管、双壁和薄壁碳纳米管的可控为充分认识碳纳米管的性能奠定了坚实的实验基础。值得一提的是，一些碳纳米管的方法大都借鉴自碳纳米（如化学气相沉积法）。在一些早期研究中，对碳纳米和碳纳米管的区分并不十分严格。对比石墨烯与碳纳米管（图 2），可显见类似的发展轨迹。在石墨烯在实验上被发现之前，一些微小石墨晶粒、晶须或石墨层片（层数较多）就已经被出来并被广泛研究。膨胀石墨也是基于剥离石墨的理念，相关技术发展纯熟，工业化应用已久。同、双壁、薄

10、壁碳纳米管之间的关系类似，除了严格意义上的石墨烯(单层) 外，双层和少数层石墨层片在结构和性能上也区别于块体石墨，在广义上也被墨烯的范畴。（1.3）不同的未来虽然石墨烯与碳纳米管有着类似的前生，却很可能拥有不一样的未来 有多方面， 但最终可归结为一维材料与二维材料之争。纳米线、纳米管在同薄膜材料的较量中往往处于劣势。以碳纳米管为例，单根碳纳米管可被视作一根具有高长径比的 ，但目前的 和组装技术还无法获得具有宏观 的碳纳米管晶体，从而限制了碳纳米管的应用。石墨烯的优势在于本身即为二维晶体结构，可实现大面积连续生长，将 Bottom-up 和 Top-down 结合起来，未来应用前景光明。另外，石

11、墨烯更受 家的青睐，是进行科学实验、解决科学石墨烯在电子行业的应用中研发的方向主要有四个领域，一、石墨烯可替代晶硅应用在将领域，将速度提高到 THZ 级别，运行速度极大提高。全球每年半导体晶硅的需求量在 2500 吨左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路，市场容量至少在 5000 亿元以上。【9】二、石墨烯制成的锂离子电池负极材料能够大幅提高电池性能。全球每年负极材料的需求量在 2.5 万吨以上，并保持 20%以上增长。石墨烯作为负极材料应用在十分之一的锂离子电池中，其需求量也在 250 吨以上。例如：中国宝安，在研发方面，公司已完成高倍率、高容量的钛酸锂(LTO)开发和，实现批量

12、生产和销售；实现导电石墨的开发并部分销售；实现碳纳米导电液的开发和生产；石墨烯正在进行中试工艺的开发和中试线组建。【10】三、石墨烯制成的超级电容器，充电时间只需 1 毫秒。2010 年全球超级电容市场规模在 50 亿，并保持着 20%的增长率，随着未来超级电容器的放量，石墨烯的应用空间巨大。四、石墨烯可以替代 ITO 作为导电材料制成显示器件。预计 2011 年全球 ITO 导电的需求量在 8500-9500 万片，石墨烯的替代空间巨大。【11】二、石墨烯气凝胶的及其特性（2.1）石墨烯气凝胶的石墨烯气凝胶的主要有六种方法：1 机械剥离法、2 化学氧化法、3 晶体外延生、4 化学气相沉积法、

13、5 有机法和6 碳纳米管剥离法等。1、微机械剥离法2004 年，Geim 等首次用微机械剥离法，地从高定向热裂解石墨(highlyoriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim 研究组利用这一方法了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的。微机械剥离法可以出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为小规模。7 / 50问题的理想平台，这也是促成其本次获奖的主要因素。碳纳米管地位尴尬，不可能给物理奖， 给个化学奖也不太像，何况已有 C60 在先。（1.4）石墨烯的应用领域广泛 市场潜力无限2、

14、化学气相沉积法化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)首次在规模化石墨烯的问题方面有了新的(参考化学气相沉积备高质量石墨烯)。CVD 法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。麻省理工学院的 Kong 等、韩国成均馆大学的 Hong 等和普渡大学的 Chen 等在利用 CVD备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，如：碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为 80%时电导

15、率即可达到 1.1×106S/m，成为目前透明导电薄膜的潜在替代品。用 CVD 法可以出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD 法可以满足规模化高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。3、氧化-还原法氧化-还原备成本低廉且容易实现，成为石墨烯的最佳方法，而且可以稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。氧化-还原法被提出后，以其简

16、单易行的工艺成为石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff 等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。氧化-还原法的缺点是宏量容易带来废液污染和的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五、七等拓扑缺陷或存在-OH 基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。【12】4、溶剂剥离法溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的力，此时溶剂可以8 / 50石墨层间，进

17、行层层剥离，出石墨烯。此方法像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构，可以高质量的石墨烯。在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高(大约为 8%)，电导率为 6500S/m。研究发现高定向热裂解石墨、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离备石墨烯。溶剂剥离法可以高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。缺点是产率很低。5、溶剂热法溶剂热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用作为反应介质，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中自身产生高压而进行材料的一种有效方法。溶剂热法解决了规模化石墨烯的问

18、题，同时也带来了电导率很低的影响。为解决由此带来的不足，研究者将溶剂热法和氧化还原法相结合出了高质量的石墨烯。Dai 等发现溶剂热条件下还原氧化石墨烯的石墨烯薄膜电阻小于传统条件下石墨烯。溶剂热法因高温高压封闭体系下可高质量石墨烯的特点越来越受科学家的关注。溶剂热法和其他方法的结合将成为石墨烯的又一亮点。【13】6、其它方法石墨烯的方法还有高温还原、光照还原、外延晶体生、微波法、电弧法、电化学法等。下面重点讲解一下 Hummers 制作工艺：1 氧化石墨的：在干燥的锥形瓶中加入 230mL98%的浓硫酸，低温冷却至 04，强力搅拌下加入 10g 的天然鳞片石和 5g 硝酸钾的固体混合物，待完全

19、溶解后，分 6 次加入 30g 高锰酸钾，温度在 1015之间搅拌反应 2.5h，溶液呈墨绿色。然后将锥形瓶置于 35的恒温水浴中，继续搅拌 30min，用温热的去离子水稀释反应液，再加 5%双氧水，搅拌，此时溶液呈金黄色。趁热过滤，用 5%盐酸和无水乙醇进行离心 5 次去离子水充分洗涤，棕黄色沉淀至 pH7，并用氯化钡溶液检测滤液中午硫酸根离子的存在。将棕黄色的沉淀物在 60扥烘烤箱中干燥 48h，淹没过后筛，的氧化石墨粉末，保存备用。【14】2 石墨烯气凝胶的：【15】9 / 50超声分散于水中得到氧化石墨烯水分散液接着可以按两个方案来做（如下图所示）（2.2）微观和宏观结构特性力学性能：

20、10 / 50热学性能：磁学性能：三、（3.1）吸声材料的广泛应用以及优缺点：利用吸声材料来吸声降噪是治理噪声污染的重要途径之一。阐述了共振吸声11 / 50材料与多孔吸声材料吸声降噪的机理，较为详细的介绍了各种吸声材料的分类、研究与应用及性能评价，对吸声材料未来研究发展趋势加以展望。噪声污染已成为当代世界性的问题，同水污染和大气污染一起被列为全球三大污染 。随着工业、农业、交通事业的迅速发展，噪声污染日趋严重，它对人们身心健康的危害，日益为人们所认识和关注，并且在人口密集、发达的大中城市，噪声污染的程度越加严重，成为环境治理过程中倍受关注的热点问题。对噪声的防治措施主要是声源和采用吸声材料

21、。声源主要是通过改进设备结构，提高和装配质量，以降低声源的辐射能量；而实际应用中最有效的噪声治理则是通过采用吸声材料来达到降噪的效果。【16】1.吸声机理按吸声机理的差异，吸声材料可分为共振吸声材料和多孔吸声材料两大类。共振吸声材料相当于多个亥姆吸声共振器并联而成的共振吸声结构。当声波垂射到材料表面时，材料内及周围的空气随声波一起来回振动，相当于一个活塞，它反抗体积速度的变化是个惯性量。材料与壁面间的空气层相当于一个弹簧，它可以起到声压变化的作用。不同频率的声波人射时，这种共振系统会产生不同的响应。当入射声波的频率接的固有频率时，系统内空气的振动很强烈，声能大量损耗，即声吸收最大。相反，当入射

22、声波的频率远离系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很弱，因此吸声的作用很小。可见，这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化，最高吸声作用出现在系统的共振频率处。多孔材料内部具有大量细微孔隙，孔隙间彼此贯通，孔隙深人材料内部且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前。在过程中，引起孔隙的空气运动，与形成的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。同时，小的空气和与之间的热交换引起的热损失也使声能衰减。此外，声波在钢性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部。声波通过这种反复，

23、使能量不断转换耗散，如此反复，直到平衡，进一步降低了部分声能。2.共振吸声材料21 薄板共振吸声材料12 / 50用各类薄板固定在骨架上，板后留有空腔就了薄板共振吸声结构。当声波入射到该结构时，薄板在声波交变激发下被迫振动，使板心弯曲变形，出现了板内部摩擦损耗，而将机械能变为热能。在共振频率时，消耗声能最大。共振频率 f0 的计算式如下：f0=600/M0L式中 M0 为板材的面密度(kgm2)；L 为板后空气层的厚度(cm)。在同一材料中，板越厚，共振频率越低；其后的空气层越大，共振频率也越低。这类结构在剧场中应用最广。在观众厅、排练厅和琴室内的胶合板护墙即为薄板共振吸声结构。共振频率一般在

24、 60315Hz 范围内。如在板后空腔内或龙骨边缘填以多孔吸声材料，可将吸声频带展宽。【17】22 穿孔板共振吸声材料在薄板上穿孔，并离结构层一定距离安装，就形成穿孔板共振吸声结构。金属板制品，胶合板、硬质板、石膏板和石棉水泥板等，在其表面开一定数量的孔，其后具有一定厚度的封闭空气层就组成了穿孔板吸声结构。它的吸声性能是和板厚、孔径、孔距、空气层的厚度以及板后所填的多孔材料的性质和位置有关。【18】它的吸声特性是以一边的频率为中心呈 “山”形，主要是吸收中、低频的声能。穿孔板吸声结构空腔声材料时，最大吸声系数约为 03-06，这时穿孔率不宜过大，以 1 一 50比较合适。穿孔率大，则吸声系数峰

25、值下降，且吸声带宽变窄。在穿孔板吸声结构空腔内放置多孔吸声材料，可增大吸声系数，并展宽有效吸声频带，尤其当多孔材料贴近穿孔板时吸声效果最好。23 微穿孔板共振吸声材料【19】由于穿孔板吸声结构存在吸声频带较窄的缺点，近年来国内研制出了微穿孔板吸声结构。著名声学教授等奠定了微穿孔板吸声结构的理论基础，给出了具体设计方法，可以设计制造各种型式的微穿孔板吸声结构。通常，采用板厚、孔径均在 1 mm 以下，穿孔率为 1 一 3 的薄金属板(通常用铝板)与背后空气层组成微穿孔板吸声结构。微穿孔板的密；因此比穿孔板的声阻大，而声质量小，从而在吸声系数和吸声频带方面优于穿孔板。微穿孔板结构不需在板后配置多孔

26、吸声材料使结构大为简化，同时具有卫生、美观、耐高温等优点。当用微穿孔板作时，在高速气流条件下，阻力损失较小，因此，这类材料在空的消声结构中应用较广。13 / 503.多孔吸声材料多孔材料是普遍应用的吸声材料，按其所选材料的物理特性和外观，主要分为材料和材料，而材料又分为无机材料和有机材料。31 无机吸声材料【20】无机吸声材料主要指岩棉、棉以及硅酸铝棉等人造无机材料。棉分为短棉、超细棉以及中级3 种。这类材料不仅具有良好的吸声性能而且具有质轻、不燃、不腐、不易老化等特性，在声学工程中获得广泛的应用。但由于其性脆，受潮后吸声性能下降严重、环境产生危害等，适用范围受到很大的限制。目前这类吸声材料采

27、用先进的方法，可以加工成毡状、板状等，经过防潮处理后，可以生产出稳定性好、吸湿率低、施工性能好的。32 有机吸声材料早期使用的吸声材料主要为植物制品，如棉麻、毛毡、甘蔗板、木质板以及稻草板等有机天然材料。有机材料主要是化学，如晴纶棉、涤纶棉等。这些材料在中、高频范围内具有良好的吸声性能，但防火、防腐、防潮等性能较差，从而大大限制了其应用。33吸声材料根据材料的物理化学性质的不同，吸声材料可以分为金属、塑料和吸声材料。【21】331金属吸声材料金属是一种新型多孔吸声材料，经过发泡处理在其内部形成大量的气泡，这些气泡分布在连续的金属相中孔隙结构，使金属把连续相金属的特性(如强度大、导热性好、耐高温

28、等)与分散相气孔的特性(如阻尼性、性、绝缘性、消声减震性等)有机结合在一起；同时，金属还具有良好的电磁性和抗腐蚀性能 。金属最早由美国 Ethyl 公司从 20 世纪 60 年始研究，我国对泡沫金属的研制始于 20 世纪 80 年代。【22】目前金属研究已经涉及到的金属包括 Al、Ni、Cu、Mg 等，其中研究最多的是铝及其合金。国内还有人对铝的水下声吸收特性及影响因素进行了研究，发现铝同时具有较好的水下吸声性能。铝已经应用于空压机房、列车发房、声频室、施工现场等吸声领域，并取得了很好的效果。14 / 50332吸声材料当前应用比较多的吸声材料主要是聚氨酯。这种材料无臭、透气、气泡均匀、耐老化

29、、抗侵蚀，对金属、木材、砖石、等有很强的粘合性。特别是硬质聚氨酯还具有很高的结构强度和绝缘性-l引。目前我国已开发研制并生产了阻燃聚氨酯板。该正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖，防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。涂有不干胶，安装时可直接粘贴。聚氨酯板是一种性能良好的强吸声体，具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点，适用于机电的隔声罩，吸声屏障，空调，以及在影剧院、会堂、广播室、室、电视演播室等音质设计工程中混响时间。此外，用于吸声材料的还有橡胶改性的聚丙烯、聚偏乙烯和聚胺酯等。【23】333吸声材料是以粉为原料，加入发泡剂及其它外掺剂经高温焙烧而成的轻质块状材料，其孔隙率可达 85以上

30、板厚度的增加对吸声系数影响不明显，因此一般选用 20 30mm 厚的板材，可以获得比较高的性价比。具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割、施工方便和产生粉尘污染环境等优点，非常适合于要求洁净环境的通风和空的消声。由于板强度较低，背后不宜腔，否则容易损坏，所以靠增加空腔来提高此类材料低频吸声性能的方法，其效果较差。4.材料吸声性能的评价吸声材料的吸声性能好坏，主要通过其吸声系数的高、低来表示。吸声系数是指声波在物体表面反射时，其能量被吸收的百分率，通常用符号 a 表示，a 值越大，吸声性能就越好。a=(EiEa)Ei式中，Ea 为未被吸收的声能，Ei 为人射总声能

31、。由于材料的吸声系数有关，即同一材料各个频率的吸声系数是不同的。我国混响室法吸声系数测量规定的测试频率范围为 1005 000 Hz。降噪系数(NRC)是取 250、500、1 000 和 2 000 4 个频带吸声系数的平均值。NRC=(a250+a500+a1000+a2000)415 / 50对于室内音质设计和噪声所用的吸声材料，我国已制定吸声性能等级划分的标准 GBT16731-997。该标准规定了采用降噪系数的大小来评定材料的吸声性能等级。大多数材料都有一定的吸声能力，一般把平均吸声系数大于 02 的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于 056 的材料称为高效吸声材料。【24】吸声材料

32、的研究与应用对于噪声污染的治理具有十分重要的意义。传统的吸声材料因其存在着诸多缺陷，如：降噪系数低、使用短、易潮解和二次污染等，已逐渐淡出市场而为新型吸声材料所替代。多孔吸声材料对于中高频噪声具有较好的吸声效果，而共振吸声材料则可以较好的吸收中低频噪声。【25】因此，如何在研究新材料、新工艺、新结构等方面，特别是在如何利用新型构造形式最大限度地发挥吸声材料的吸声性能，设计出适合各种场合需求的新结构，将是未来吸声材料发展的一大趋势。这就需要走材料复合的道路，把无机材料与有机材料复合，将多孔吸声与共振吸声相结合，开发新一代高效吸声材料；同时，还应进一步降低生产成本，使生产规模化优质化，吸声材料的研

33、究任重道远【26】（32）石墨烯气凝胶的特点和吸声特性首先介绍一下相关的吸声测量方法吸声测量是对材料或结构的吸声系数和吸声量或者对整个房间的吸声量进定，以便利用已知吸声特性的材料或结构，物内的噪声，或者创造较为理想的声学环境。吸声测量的测量频率范围一般为 1004000 赫，有特殊要求时可以扩大到508000 赫。在测量频率范围内，其频带宽度为 1/3 倍频带或倍频带。吸声测量有三种方法：驻波管法、混响室法和稳态声源法。驻波管法：当平面波在前进并受到端部壁面反射时,会产生一反射的平面波,其方向与入射波相反。此时在会形成驻波，驻波有固定的波节和波腹。波节处的声压为极小值，波腹处的声压为极大值。当

34、反射壁面为刚性壁面时，波节处和波腹处的声压差值最大。反射壁面吸收声能的能力愈大，则反射波的声能愈小，形成的声压差值也就愈小。16 / 50驻波的波节和波腹之间的距离为 /4， 为所测的波长。驻波管要有坚硬而光滑的内表面，通常用黄铜管或大理石板制成。为了在形成平面波，在设计和制作驻波管时，应使管径同最高测试频率所对应的波长相适应，就是使管径 D 大于或等于 /2, 为最高测试频率对应的波长；同时，为了能测量最低频率的声压极大值和极小值，应使管长 l 大于 /4, 为最低频率对应的波长。测量频率为 1002000，管径 D 为 10 厘米，管长 l为 120 厘米；超过 2000,则用 D=3 厘

35、米、l=50 厘米的铜管。当测量消声尖劈时，测试频率为 50400 赫,驻波管应用截面为 20×20 厘度为 23 米的大理。【27】图为驻波管示意图。图中的 1 为管体；2 为直径 20 厘米的扬声器，由正弦信号发生器激发，在产生平面声波；3 为安装试件的刚性壁；4 为传声器，为了防止外界噪声的干扰，将传声器设在一个隔声较好的小车内,在其前部装有探管 5。小车移动时，可以从频谱仪（或频率分析仪）表头上读出最大值和最小值。一般频谱仪表头上有吸声系数 的刻度， 可直接读出 值。 测量时，先将试件安装盖（即刚性壁）固定在驻波管上,用油泥密封好，测量空管各个频率的本底吸收,此值应小于 5。

36、然后安装被测试件,也用油泥密封。移动小车找出极大值（试件表面附近）；并将频谱仪表头指针调至满刻度（即 100）,再移动小车找出极小值；此时表上的读数就是试件的吸声系数。通常取三块同样试件进量，取平均值表示该材料的吸声系数。驻波管除了用于测量试件的吸声系数外，还用于测量材料表面的声阻抗。【28】混响室法将试件在一无规入射的扩散声场中，在声源突然停止后，测量其混响时间，如已知空室（即未安装试件时）的混响时间，即可算出试件的吸声系数 T。混响室的体积由下式决定：17 / 50V4 式中 V 为混响室的体积（米）； 为测量的最低频率所对应的波长（米）。通常 V 200 米。混响室的长、宽、高之比应成调

37、和级数,而 lmax1.9V。其混响时间应满足下表的要求：125500 赫 1000 赫 2000 赫 4000 赫>5 秒>4.5 秒>3.5 秒>2.0 秒为了获得较好的扩散声场，混响室内布置扩散体、扩散板或足够大的转帆。实验证明，扩散板总面积如等于地面面积 50以上，即能满足使用要求。转帆面积一般为 10 平方米左右，每分钟旋转 210 转。【29】测量混响时间所用的信号源是多种多样的，有啭声、白噪声、粉红噪声。在剧场测量混响时间时，有时用发令枪、鞭 或者交响乐队。通常以粉红噪声加 1/3 倍频带或倍频带滤波器做声源。在信号源和滤波器之间加一开关，作为切断信号之用

38、。如功率放大器质量不高， 扬声器会在切断信号后仍发出交流声，影响测量。因此，最好在功率放大器和扬声器之间加接开关，用短路扬声器的方法切断声源；但在这种情况下应加一假负载，以防止烧毁功率放大器。应使用频响较好的电容传声器，经频谱仪选频放大后的信号输给级仪，用 10 或 30 毫米每秒的上的测点，每个测点要纸速将混响衰变曲线下来。测试规范要求每个频带要有三个以三条以上的衰变曲线：曲线衰变量要在 30 分贝以上，曲线不能是折线或弧线。在测量时，要选择合适的纸速，使衰变曲线与的夹角在 45°左右。将每个频带的衰变曲线用计算圆盘量出其混响时间，取其平均值，即为该频率的混响时间。现在有测量混响的

39、设备，可直接测出混响时间。在混响室中测量时，声源应放在墙角处，其声功率应足够大；传声器位置应符合测试规范要求。通常，将试件放在地面上，长宽应符合一定比例,即 1:0.7。试件面积约 10 米。如果试件为空间吸声体时,则应将其悬挂在天花板上。测量时，应同时测量空室（未放试件）和满室（已放试件）的混响时间。对于空气吸收的以忽略，或者进行修正（在高频）。混响室法测量的吸声系数按下式计算：【30】式中 A 为材料或结构的总吸声量；c 为空气中的声速;V 为混响室体积;T1 和 T2 为满室和空室的混响时间;m1 和 m2 为满室和空室的空气吸收系数； T 为材料或结构的吸声系数;S 为试件总面积。如满

40、室和空室同时测定,则 m2=m1，式中 4(m2-m1)一项可以忽略。稳态声源法此法系利用一稳态的标准声功率源作为测试声源，进行声压级精密测量。此法对声级计的精度要求很高，因此，只有在不能使用上述两种方法的情况下，特别是不能形成扩散声场的有强吸收的房间或厅堂才使用。用此法测量时，声源应放在远离材料表面的地方。声压级的测点和声源的距离不能过远或过近，一般为 12 米。精密声级计必须配有倍频带或 1/3 倍频带滤波器，以便测试所需要的频带。测量一次后，声源应改变一下位置或方向，重测一次，取两次的平均值。室内总吸收量由下式决定：式中 A 为室内总吸收量；岧 W 为标准声源的声功率级;岧 p 为同一频

41、带的声压级。只有测出岧 p 之微小分贝差数，方能达到足够的精度。此法在现场测量隔声量时较为有用。18 / 50总的来说，驻波管法测试便捷，不需要特殊的和大面积的吸声材料，便于多种材料的比较。要选取其中较佳的几种，再进行混响室法测量。混响室法是在无规入射声场中进行的,比驻波管法更符合实际情况,而且对任何类型的材料或结构都可以测试。而驻波管法只能测试多孔材料、穿孔板结构或微穿孔板结构。稳态声源法则适于测定非扩散情况下的室内吸收。因此，在选用吸声系数时应注意使用条件和测试条件尽量一致。石墨烯的宏观结构是稀疏质轻的材料，我们可以从下面两幅图了解它【31】我们可以根据这些特性使不同孔隙率和孔径梯度的石墨

42、烯气凝胶相互嵌合与叠加，有望达到吸收高中低平率的噪声！19 / 50第四部分：设计方案论证一、目标及步骤课题目标： 在完成步骤：出不同孔隙率的石墨烯气凝胶样品，并测试吸声性能1）氧化石墨的；2）氧化石墨分散液的还原；3）石墨烯气凝胶的；4）SEM 表征以及吸声性能的测试。二、方案设计和实现采用 hummers 法在样品纯度和完整性比较高。条件下得到氧化石墨比较方便简单易行，并且所得20 / 501、干燥反应容器三角瓶（! 液体要从三角瓶的侧面的角倒入，固体从中间的角加入），保证里面无水状态，放入磁子（一定要选出一个比较好的磁子，不然的话会转不动还得再做一次，特别麻烦）；2、把三角瓶放在冰水中（

43、-4），用来吸收接下来放热反应放出的大量的热3、用量筒称取浓度为 98%的浓硫酸 92ml，用倒入三角瓶棒从三角瓶的侧面角缓缓4、用分析天平称取 EG（膨胀石墨）4g 从中间管角慢入瓶5、用分析天平称取 2g 慢入瓶6、用分析天平称取 12g（分三次慢入瓶，每次间隔 15 分钟左右， 3g×4、15min/per）7、把三角瓶置于 35+3恒温油浴搅拌保温12 小时，套上保鲜膜8、12 小时之后，添加 40温水 184ml，继续用棒搅拌，磁子转动9、把温度调至 98（先调至 92，因为是油浴，沸点比较高）1520min，加60的温水（560-92-184）=284ml 使三角瓶内溶液

44、至 560ml，接着加 （1020ml）趁热过滤10、过滤时（注意滤纸的使用一定要准确）使用 5%HCl 洗涤，并注意用吸管把上面漂浮着的块状物体吸取出来；11、离心：每组六个，离心 30min，一定要保证每个试管的质量一样，盖子拧紧， 不然在 6000r/s 的状态下盖子会弹出，质量一致也是对机械的一种保护；（加去离子水，反复离心 4 次）12、把离心得到的氧化石墨用去离子水溶解在大烧杯里，接着 60干燥 48h 得到氧化石墨固体13、称取 0.4g/1.2g/2g 氧化石墨样品 溶解到 400ml 去离子水中，超声一段时间（超声仪两圈）后得到 1mg/ml、3mg/ml、5mg/ml 的分

45、散液，加入 VC 的质量分别是 1.5g、2.5g、3.0g（抗坏血酸），然后磁力搅拌一段时间后置于 60的烘箱里15h14、接着用清水泡 2 天，期间换两次水，最后加氨水，冷冻干燥，得到石墨烯气凝胶三、SEM 表征和吸声测试用 SEM 观测石墨烯表面微观结构，并且测试吸声性能；通过观测和比较得出结论21 / 50第五部分：原始实验规则：一切操作要严格按照安全准则进行，不得进行尝试，注意环境，保持卫生，实验结束时保证整洁，做实验时要带手套以保证安全，请节约耗材，废液不要私自乱到，应由专门集中处理。实验指导：实验操作：发、实验者：发石墨稀气凝胶的实验：（x3）1、干燥反应容器三角瓶（! 液体要从

46、三角瓶的侧面的角倒入，固体从中间的角加入），保证里面无水状态，放入磁子（一定要选出一个比较好的磁子，不然的话会转不动还得再做一次，特别麻烦）；2、把三角瓶放在冰水中（-4），用来吸收接下来放热反应放出的大量的热3、用量筒称取浓度为 98%的浓硫酸 92ml，用玻璃棒瓶从三角瓶的侧面角缓缓倒入三角4、用分析天平称取 EG（膨胀石墨）4g 从中间管角慢入瓶5、用分析天平称取 2g 慢入瓶6、用分析天平称取 12g（分三次慢入瓶，每次间隔 15 分钟左右，3g×4、15min/per）7、把三角瓶置于 35+3恒温油浴搅拌保温12 小时，套上保鲜膜22 / 50实验：（x3）8、12 小时

47、之后，添加 40温水 184ml，继续用9、把温度调至 98（先调至 92，因为是油浴，沸点比较高）1520min，加 60 的温水（560-92-184）=284ml 使三角瓶内溶液至560ml，接着加 （1020ml）趁热过滤10、过滤时（注意滤纸的使用一定要准确） 使用 5%HCl 洗涤，并注意用吸管把上面漂浮着的块状物体吸取出来；11、离心：每组六个，离心 30min，一定要保证每个试管的质量一样，盖子拧紧，不然在 6000r/s 的状态下盖子会弹出，质量一致也是对机械的一种保护；（加去离子水，反复离心 4 次）棒搅拌，磁子转动实验：（重复了 5 遍）12、把离心得到的氧化石墨用去离子

48、水溶解在大烧杯里，接着 60干燥 48h 得到氧化石墨固体13、称取 0.4g/1.2g/2g 氧化石墨样品 溶解到 400ml 去离子水中，超声一段时间（超声仪两圈）后得到 1mg/ml、3mg/ml、5mg/ml 的分散液，加入 VC 的质量分别是 1.5g、2.5g、3.0g（抗坏血酸），然后磁力搅拌一段时间后置于 60的烘箱里15h23 / 50实验（重复了 5 遍）14、接着用清水泡 2 天，期间换两次水，最后加氨水，冷冻干燥，得到石墨烯气凝胶实验：Sem 和吸声系数15、石墨烯气凝胶的 SEM 表征：24 / 5016：石墨烯气凝胶的吸声测试：样品一（5mg/ml厚度 15mm 结

49、构整体性好）样品一 10.90.80.70.60.50.40.30.20.10500100015002000250030003500 4000频率 (Hz)4500500055006000样品二（1mg/ml4mm 结构整体性一般）样品二 10.90.80.70.60.50.40.30.20.1MPPNIACExp141202Sample2Graphenet10500100015002000250030003500频率 (Hz)40004500500055006000样品三（2.5mg/ml4mm 结构整体性一般）25 / 50正入射吸声系数 正入射吸收系数X: 1490Y: 0.6552MP

50、PNIACExp141202Sample1Graphenet1样品三 10.90.80.70.60.50.40.30.20.1050010001500200025003000350040004500500055006000样品四（3mg/ml9mm 结构整体性好）样品四 10.90.80.70.60.5MPPNIACExp141202Sample4Graphenet10.40.30.20.1050010001500200025003000频率 (Hz)35004000450050005500600026 / 50正入射吸声系数正入射吸声系数第六部分：结题(摘要)报告石墨烯气凝胶，也可以称作碳海

51、绵，是世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。同时，石墨烯气凝胶可任意调节形状，弹性也很好，被压缩 80%后仍可恢复原状。它对有超快、超高的吸附力，石墨烯气凝胶继承了石墨烯和气凝胶高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度等优点，使其在学术领域引起了科研工作者的极大关注和研究。对噪声的防治措施主要是声源和采用吸声材料 。声源主要是通过改进设备结构，提高和装配质量，以降低声源的辐射能量；而实际应用中最有效的噪声治理则是通过采用吸声材料来达到降噪的效果。按照材料的吸声机理，多孔、或者表面粗糙不规则的材料可以很好地反射和吸收一大部分声音，以达到更好的音效！而石墨烯气凝胶的微观结构呈现多孔结构，可以将其运用到吸声领域中去。可以通过调节气凝胶内部的孔径梯度和孔隙率，从而达到全部吸收高频、中频、低频的噪音的效果。同时，与现有多孔吸声材料相比，石墨烯气凝胶具有质轻、阻燃、无毒、耐腐等优点。关