一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶及其应用，属于吸声材料技术领域。先将氧化石墨烯、还原剂和发泡剂的混合溶液进行搅拌发泡，然后加热进行部分还原，再进行冷冻结冰，最后解冻，得到部分还原氧化石墨烯水凝胶；按照所需压缩程度对部分还原氧化石墨烯水凝胶进行机械压缩，之后干燥，再进行退火处理，得到石墨烯气凝胶。通过改变所述石墨烯气凝胶的厚度以及压缩程度，能够实现较宽频段范围内任意单频段的高效吸收噪声；将不同厚度以及压缩程度的石墨烯气凝胶进行简单叠加组合，能够实现较宽频段范围内多频段的高效吸收噪声；所述石墨烯气凝胶还可以应用于声学识别器件，实现对特定频段音频的识别。实现对特定频段音频的识别。实现对特定频段音频的识别。

【技术实现步骤摘要】
一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶及其应用


[0001]本专利技术涉及一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶及其应用，属于吸声材料


技术介绍

[0002]许多三维(3D)多孔材料作为吸声材料致力于实现更大范围的音频吸收，包括海绵、气凝胶、蜂窝塑料以及多孔金属泡沫等。由于处理的可控性和准确性差，特定频率下的噪声吸收仅限于声学超材料、亥姆霍兹共振器以及多孔板。一些研究人员基于共振设计了有序结构，以吸收指定的频率噪声。然而，这些设计不仅复杂且昂贵，而且具有差的机械性能，并且苛刻的使用条件限制了商业应用的范围。不可否认，由于3D多孔材料具有独特的结构优势(包括低密度、出色的机械性能和高孔隙率)，它们被认为是吸声材料的良好选择。通过合理而简单的技术来实现3D多孔材料的同步多方向调节，对于实现吸声材料的吸声性能可控变化的目的非常重要。
[0003]由纳米片组装的3D多孔石墨烯不仅继承了单层石墨烯的大表面积、优异的导电性和良好的机械性能，而且其纳米级的3D骨架结构能够有效地消耗声能，从而成为潜在的3D多孔吸声材料。然而，目前已报道的吸音材料均不能实现在较宽频段内有效调控高效吸收不同频率的声音，而且也不能通过简单的方式实现从单个频率向多个频率范围的转换。此外，目前尚无报道吸声材料与声学识别材料的转换。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶及其应用，通过调控材料的厚度以及压缩程度，实现材料在较宽频段内的单频段高效吸收噪声，而且通过不同厚度以及压缩程度的材料简单叠加组合可以实现材料在较宽频段内的多频段高效吸收噪声；另外，该材料还具有音频识别功能，可以应用于声学识别器件领域。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006]一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶，所述石墨烯气凝胶是采用如下方法制备得到的：
[0007]对氧化石墨烯、还原剂和发泡剂的混合溶液进行搅拌发泡，使发泡后体积为发泡前体积的1.5～2.5倍，发泡后混合物内部呈现出球形泡孔状结构；将发泡后的混合物装入模具中，先在50℃～90℃下加热还原，待混合物变成黑色的块状且与模具内壁分离时向模具中加入体积不小于黑色块状体积的水，继续加热还原反应8h～10h，然后在
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20℃～
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10℃下冷冻结冰，利用冰晶刺破水凝胶中的气泡从而形成相互交联、贯穿的通道，再在50℃以下解冻，得到部分还原氧化石墨烯水凝胶；按照所需压缩程度对部分还原氧化石墨烯水凝胶进行机械压缩，之后先置于60℃以下环境干燥，再置于180℃～220℃下退火处理不少于4h，得到石墨烯气凝胶。
[0008]进一步地，所述混合溶液中，氧化石墨烯的浓度优选5mg/mL～14mg/mL。
[0009]进一步地，所述还原剂用于将氧化石墨烯还原成石墨烯，优选L
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抗坏血酸，还原剂与氧化石墨烯的质量比为(1.9～3):1；所述发泡剂优选辛癸基烷基糖苷、吐温或十二烷基硫酸钠，发泡剂与还原剂的质量比为1：(1.2～3.5)。
[0010]进一步地，优选以1.5℃/min～4℃/min的升温速率将温度升至180℃～220℃。
[0011]进一步地，模具的材质优选玻璃或塑料。
[0012]一种单频段石墨烯气凝胶吸音材料，所述吸音材料为本专利技术所述石墨烯气凝胶，该吸音材料在需要吸音的宽频段内只出现一个显著吸声峰，即实现单频段的高效吸收噪声，在压缩程度不变的情况下，随着石墨烯水凝胶厚度的增加，单频段吸声峰值位置从高频向低频移动；在石墨烯水凝胶厚度不变的情况下，随着压缩程度的增加单频段吸声峰值位置从高频向低频移动。
[0013]一种多频段石墨烯气凝胶吸音材料，所述吸音材料由厚度相同且压缩程度不同的N块石墨烯气凝胶叠加组合而成的，或者由压缩程度相同且厚度不同的N块石墨烯气凝胶叠加组合而成的，该吸音材料在需要吸音的宽频段内出现N个显著吸声峰，即实现多频段的高效吸收噪声，吸音系数峰值未明显降低，整体吸声系数提高。
[0014]进一步地，所述需要吸音的宽频段优选为2000Hz～6000Hz。
[0015]本专利技术所述石墨烯气凝胶作为单频段或多频段吸音材料使用时，可以采用如下公式对每个频段吸声峰位置进行预测；
[0016](1)石墨烯气凝胶的厚度为1cm，压缩因子n
c
≥1时：
[0017][0018]其中，y为理论吸声峰值，y0为3352Hz，A1为2213Hz，n
c
为压缩因子，n0为常数0.80，t1为常数5.0；
[0019](2)对于石墨烯气凝胶厚度T大于0，压缩因子为2时(压缩因子为压缩前的高度与压缩后的高度比)：
[0020][0021]其中，y为理论吸声峰值，y0为1845Hz，A1为3227Hz，T为石墨烯气凝胶厚度(单位为mm)，T0为10mm，t1为常数14.3。
[0022]本专利技术所述石墨烯气凝胶可以应用于声学识别器件，例如基于石墨烯气凝胶的音频信号识别设备，所述设备包括音频信号发生器、信号放大器、石墨烯气凝胶、绝缘基底(如塑料板或玻璃板)、电化学工作站以及计算机；
[0023]石墨烯气凝胶放置在绝缘基底上，两根导线的一端与石墨烯气凝胶的两端通过导电胶一一对应连接，一根导线的另一端与电化学工作站的两个电极连接，另一根导线的另一端与电化学工作站剩余一个电极连接，电化学工作站并与计算机连接，音频信号发生器与信号放大器连接，信号放大器位于石墨烯气凝胶正上方。
[0024]音频信号放大器产生的声学信号经过信号放大器放大后传递给石墨烯气凝胶，石墨烯气凝胶针对不同的声学信号其内部发生不同程度的振动从而使其电阻发生变化，振动
越大则电阻率变化越大从而电信号响应程度也越大，通过电化学工作站将声学信号转化成电学信号并传输给计算机，根据电学信号与音频信号的关系可以实现对特定频段音频的识别功能。
[0025]有益效果：
[0026](1)通过发泡法和冰模板得到的石墨烯水凝胶具有良好的可塑性，可以实现任意比例的压缩定制，再通过常压干燥和退火处理得到石墨烯气凝胶，该材料为二维石墨烯纳米片层堆叠而成的三维网状结构，其机械性能稳定，疏水性好，阻燃性和散热性能优异。
[0027](2)本专利技术所述石墨烯气凝胶具有良好的结构稳定性和弹性，压缩应变可达90％，而且在压缩应变为70％的条件下，循环压缩500次后仍然保持很好的回弹性。该石墨烯气凝胶可以用作吸声材料，而且通过改变厚度以及压缩程度，能够实现较宽频段范围内任意单频段的高效吸收噪声，最大吸声系数接近100％，并且将不同厚度以及压缩程度的石墨烯气凝胶进行简单叠加组合，可以从单频吸收扩展到多频吸收，即能够实现较宽频段范围内多频段的高效吸收噪声，且吸声效率普遍提高。
[0028](3)本专利技术提出一个预测峰位置的模型，通过改变压缩因子和厚度来解释峰位移的机理，而且对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶，其特征在于：所述石墨烯气凝胶是采用如下方法制备得到的，对氧化石墨烯、还原剂和发泡剂的混合溶液进行搅拌发泡，使发泡后体积为发泡前体积的1.5～2.5倍；将发泡后的混合物装入模具中，先在50℃～90℃下加热还原，待混合物变成黑色的块状且与模具内壁分离时向模具中加入体积不小于黑色块状体积的水，继续加热还原反应8h～10h，然后在
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20℃～
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10℃下冷冻结冰，再在50℃以下解冻，得到部分还原氧化石墨烯水凝胶；按照所需压缩程度对部分还原氧化石墨烯水凝胶进行机械压缩，之后先置于60℃以下干燥，再置于180℃～220℃下退火处理不少于4h，得到所述石墨烯气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶，其特征在于：所述混合溶液中，氧化石墨烯的浓度为5mg/mL～14mg/mL。3.根据权利要求1所述的一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶，其特征在于：所述还原剂选用L
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抗坏血酸，还原剂与氧化石墨烯的质量比为(1.9～3):1；所述发泡剂选用辛癸基烷基糖苷、吐温或十二烷基硫酸钠，发泡剂与还原剂的质量比为1：(1.2～3.5)。4.根据权利要求1所述的一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶，其特征在于：以1.5℃/min～4℃/min的升温速率将温度升至180℃～220℃。5.根据权利要求1所述的一种具有吸音和音频识别功能的石墨烯气凝胶，其特征在于：所述模具的材质为玻璃或塑料。6.一种石墨烯气凝胶吸音材料，其特征在于：所述吸音材料为权利要求1至5任一项所述石墨烯气凝胶，所述吸音材料在需要吸音的宽频段内出现一个显著吸声峰实现单频段吸声；或者，所述吸音材料是由N块权利要求1至5任一项所述石墨烯气凝胶叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈南，李增领，曲良体，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：