Hongfu Bi, Yuan Wei*, Yang Zhou, Yingying He, Chunyu Wang, Cheng Zhang, Jie Chen, Jiawei Cao, Xiaofeng Ding, Jianming Zhou, Gang Chen*, Broadband Response Diaphragm Materials for Human Acoustics Engineering. Small , 2024, 2406559. 

　　在现代社会，扬声器作为人们日常生活不可或缺的一类音频输出设备，已遍布于手机、电脑、汽车音响等各类电子应用。其中，扬声器振膜作为音响设备的核心部件之一，其性能直接影响音响音质的好坏。传统的扬声器振膜材料虽多种多样，但永远无法满足人们对科技进步和高品质音质的极致追求。因此，开发出兼具轻质高强、优异声学表现的新型振膜材料一直是电声行业内的重大挑战。现有研究表明，高性能纤维增强的复合膜材料在制造高品质的扬声器振膜方面展示出巨大的潜力。然而，现有纤维材料性能的局限和不足以及振膜微观结构的不可控性，严重限制了高端音响设备的设计生产以及高质量声音的传播。

　　近日，华南理工大学轻工科学与工程学院、制浆造纸工程国家重点实验室陈港教授团队基于“互穿聚合物网络”（IPN）策略，将羧甲基纤维素微纤维（CMF）与热熔皮芯纤维（SCF）结合，开发了一种新型复合振膜材料。然后，通过仿真模拟和Flory-Huggins界面理论解释了复合振膜材料中“纤维-结构-性能”之间的相互作用机制。得益于独特的微观结构设计，这种生物质基声学振膜材料展现出优异的机械性能，包括低密度（~0.92 g/cm³）、高拉伸强度（~235 MPa）和高模量（~9.73 GPa）等。此外，安装了该生物质基振膜的扬声器也表现出较高的灵敏度（~82.6 dB）和优异的宽频稳定性。该项研究不仅阐明了扬声器的多物理场工作原理，还建立了振膜物理特性与扬声器性能之间的关联机制，为高保真（Hi-Fi）声学设备中高性能生物质基扬声器振膜的开发开辟了新的途径。

　　纤维增强的复合振膜多由各种纤维形成互穿网络结构制备而成，主要包括：基体相纤维与增强相纤维。其中，基体相纤维来自可降解的自然资源，增强相则来源于人工制造的多相复合纤维。在该研究中，首先将天然纤维进行羧甲基化改性，使其充分润胀；然后在湿法成型过程中加入增强相皮芯纤维，以获得质地均匀的复合纤维材料；最后通过高温热压，促进增强相纤维表面组分发生玻璃态转化填充基体相，从而增强纤维之间的界面结合。在复合振膜纤维间的互穿网络结构中，基体相是羧甲基化纤维（CMF），增强相是PE/PA6双组份复合纤维。其中，PE作为粘合剂填充在羧甲基化纤维间隙，PA6作为骨架提供力学支撑；增强相能够有效分散基体相的应力，同时随着增强相比例的增加，复合振膜也表现出不同的力学性能。

图1 用于人体声学工程的宽频响应声学振膜示意图

图2 生物质基声学振膜的组分及结构表征

图3 生物质基声学振膜的机械性能

图4 生物质基声学振膜的微观结构表征与力学性能仿真

图5 生物质基声学振膜组分间的界面相互作用

图6 生物质基声学振膜的制造与声学性能

　　本研究基于“IPN”策略，将羧甲基纤维素微纤维（CMF）与皮芯纤维（SCF）复合，开发出一种新型的生物基纤维增强复合膜材料。该材料具有优异的机械性能，包括高拉伸强度和高模量，同时兼具低密度和高温稳定特性，特别适用于制造扬声器振膜。实验和模拟结果均表明，这种独特的纤维复合结构和界面粘合作用能够显著改善其机械性能，从而大幅提升其声学性能。此外，该振膜在宽频范围内表现出高灵敏度和应用稳定性，尤其在低频响应方面表现优异。总之，该研究通过实验结合理论，阐明了扬声器的多物理场工作原理，建立了振膜物理性质与扬声器性能之间的关系，为扬声器技术的发展和应用提供了宝贵经验。

　　相关研究成果以“Broadband Response Diaphragm Materials for Human Acoustics Engineering”为题发表于《Small》。论文第一作者为华南理工大学博士生毕红富，通讯作者为华南理工大学陈港教授和东莞理工学院化学工程与能源技术学院青年教师魏渊博士。该研究工作得到了华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室（2020ZD02）等的资助。

　　论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202406559

　　此外，近年来陈港教授课题组在纤维素基先进功能材料领域取得了系列研究成果，主要包括如下：

　　☑ 纤维素基吸湿气凝胶

　　DOI：10.1016/j.cej.2024.150063

　　☑ 纤维素基泡沫缓冲/抗紫外包装材料

　　DOI：10.1016/j.ijbiomac.2024.131422

　　DOI：10.1016/j.ijbiomac.2023.129180

　　☑ 纤维素基电磁屏蔽材料

　　DOI：10.1016/j.mtnano.2023.100393

　　☑ 纤维素基粘附凝胶界面材料

　　DOI：10.1002/adfm.202005135

　　DOI：10.1002/adfm.202214366

　　☑ 纤维素基多功能相变储能材料

　　DOI：10.1039/d2ta04665b

　　DOI：10.1016/j.carbpol.2022.120132

　　陈港，博士，博士生导师，二级教授，现任华南理工大学特种纸研究团队首席科学家，中国造纸学会副理事长，广东省造学会常务副理事长&秘书长，广东省造纸行业协会副会长等；曾任制浆造纸工程国家重点实验室常务副主任，担任《中国造纸》、《中国造纸学报》等期刊的编委以及多家行业龙头企业的技术顾问。主要研究领域为造纸新技术与特种纸，包括特种纸新技术、纸基功能材料、纸张涂布技术与理论、多种纤维混合成型机理、纳米纤维素制备及应用、造纸化学品的优化及应用、纸张防伪技术、功能材料在造纸过程的应用等，先后主持和参加国家重点研发计划、工信部重点行业绿色制造系统集成项目、国家自然科学基金、国家“973”计划、省自然科学基金、省高新技术成果孵化项目、粤港重点领域重大突破招标项目等。近年在AM、AFM、Small、CEJ、CM、JMCA、Langmuir等国际知名刊物发表研究论文多篇，其中ESI高被引论文2篇。编写专著2本，拥有40多项授权发明专利。

　　魏渊，工学博士，2023年毕业于华南理工大学制浆造纸工程专业，导师为陈港教授。于2022年1月到2023年6月曾前往加拿大滑铁卢大学进行博士联培，现任职东莞理工学院化学工程与能源技术学院专任教师。研究方向为仿生智能粘附凝胶界面材料、生物质基可持续功能材料的开发及应用。截至目前，已在Adv. Funct. Mater.、Small、Chem. Mater.等材料及化工领域主流期刊上发表学术论文20余篇，其中第一（含共一）或通讯作者论文19篇（ESI高被引论文1篇）；担任期刊Energy Lab、Materials Lab的青年编委。作为负责人主持广东省普通高校青年创新人才项目、海南省果蔬储藏与加工重点实验室开放课题各1项，作为主要人员参与国家自然科学基金（面上、青年）项目、广东省基础与应用基础研究基金项目各1项。