積層造形法を用いた超吸音のための階層的に調整可能な細孔構造を持つ超疎水性セメント

出典: SCIシミュレーションスタジオ

騒音公害は環境問題として、人々の健康や経済に重大な悪影響を及ぼす可能性があります。この問題に対処するために、さまざまな騒音低減建築材料が開発されてきました。しかし、現在のほとんどの騒音低減材料は、単純な細孔構造と狭い吸収帯域を備えているため、広い周波数範囲にわたって音響エネルギーを吸収する能力が制限されます。ここでは、ハイドロゲルテンプレート化アプローチを実証し、付加製造方法によって調整可能な細孔サイズを持つ階層構造のセメント材料を作成します。セメントの水和反応により生成されるマイクロナノ細孔の階層的調整可能構造の導入により、マルチスケールの細孔（マイクロ細孔、メソ細孔、マクロ細孔）を形成し、1000Hzで0.89の吸音係数を達成し、広帯域吸音性能（従来の建築吸音材より約50％高い騒音低減係数0.54）を確保します。同時に、この軽量素材は、優れた圧縮強度（1.31 MPa）、超疎水性（水接触角152.5◦）、熱伝導率（0.088 W m−1 K−1）、優れた耐火性を備えています。この研究は、優れた吸音性能を備えたセメント系材料を設計するための新しいアプローチを提供します。
本論文では、ハイドロゲルテンプレート法と積層造形法を組み合わせて、単層および階層構造の PCM を作製する方法を提案します。実験とシミュレーションを組み合わせて、異なる細孔サイズと細孔サイズ分布が音響吸収性能に与える影響について議論しました。さらに、圧縮強度、耐火性、熱伝導性、疎水性についても研究されました。実験結果は次のことを示しています。

（１）積層構造の吸音性能は単層構造よりも優れている。層状（F）PCM は、1000 Hz での吸音係数が 0.89 で、最高の広帯域吸音性能（NRC = 0.54）を備えています。セメント内の直径 1.5 cm と 0.3 cm の細孔とマルチスケールの細孔 (マイクロ細孔、メソ細孔、マクロ細孔) によって形成された勾配細孔サイズを持つ階層型 (F) PCM により、セメントの音響性能が向上しました。

（２）シミュレーションにより実験の有効性を検証し、音圧分布の観点から吸音メカニズムを説明した。音波が層状（F）PCMに入ると、大きな孔によりより多くの音波が入ります。同時に、小さな孔はより複雑な孔構造を持ち、音波をより効果的に拡散させ、それによってより優れた吸音効果を実現します。

（３）積層型（F）PCMの機械的性質、熱的性質、耐久性を調べたところ、この材料は優れた耐火性を示し、広帯域吸音条件下では28日間の圧縮強度が1.31MPa、熱伝導率が0.88W・m−1・k−1と良好な値を示した。さらに、層状（F）PCMの接触角は152.5°となり、超疎水性状態を達成した。試験結果によると、非疎水性改質セメントと比較して、疎水性層状（F）PCMの吸音係数は数百回の水洗浄後も低下せず、湿気の多い環境でも吸音耐久性に優れていることが示されました。

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