科技日报记者 赵向南
“以前过这条隧道，噪声刺耳。改造后，噪声没了，隧道广播也听得清。”12月24日，山西阳泉市民李先生驾车驶出阳泉南外环一号隧道后告诉科技日报记者。
“南外环一号隧道用了我公司研发的多孔陶瓷材料吸声板，不仅降低了噪声和混响时间，还提升了隧道内语音清晰度。”山西天合新材料科技有限公司（以下简称“山西天合”）董事长张锁贵说。据介绍，山西天合历时8年研发出国内首款用工业废渣制备的多孔陶瓷材料，该材料具有吸声降噪、吸光、吸波等功能，首次应用于公路隧道，填补了国内相关领域空白。
研制“会呼吸的石头”
噪声无处不在，在隧道等区域尤为严重，不仅影响健康，还有安全隐患。“传统隧道吸声材料如玻璃棉等纤维材料，易吸潮发霉、粉化脱落；泡沫铝等金属材料造价高，不适合大规模推广。因此，亟需一种既耐久又环保的新型吸声材料。”张锁贵说。
基于市场需求和阳泉当地煤矸石、粉煤灰及工业废渣丰富的实际，2017年，张锁贵带领团队与景德镇陶瓷大学教授孙国梁及国内建筑陶瓷领域专家合作攻关。
耐火砖和火山岩的性状为研发提供了启发。“火山岩有天然孔洞，横切面可见内部由蜂窝状气孔构成，孔洞相通，能吸声降噪、吸附尘埃。若将这些特性‘移植’到新型建筑材料上，或可解决噪声问题。”张锁贵说。
经过数千次试验，团队找到了用工业废渣生产多孔陶瓷材料的工艺。“我们创造性地采用钉板打孔机、造孔剂和发泡剂三种成孔方式，使陶瓷材料具有管状气孔、多点开口球形气孔及闭口球形气孔三种孔结构，形成穿孔板吸声结构、微穿孔共振吸声结构和薄板共振吸声结构。”山西天合总经理荆国梁说，通过特殊工艺，这款陶瓷材料内部结构由大、中、小、微四种孔构成，孔孔相通，能有效捕捉和吸收声波，吸声性能良好，达到设计要求。
历经8年，多孔陶瓷材料完成实验室试制、小规模中试，解决了工业化生产的关键技术问题，研发了配套生产设备，并形成生产工艺标准和技术规范。山西天合就“一种多功能生态外墙及其制备方法”申请并获得国家发明专利2项、实用新型专利1项；通过PCT途径，获得美国知识产权局授权。
多孔陶瓷材料以煤矸石、粉煤灰、工业废渣等为原料，成本低廉。荆国梁说：“制备过程无有害物质排放，且可循环使用，符合低碳经济发展趋势。”
工业固废经独特配方和工艺成为多孔陶瓷材料。“该材料像‘会呼吸的石头’，内部是多级孔洞结构。声波进入材料表面密布的微孔后，在孔道内反复摩擦、碰撞，声能转化为热能耗散，有效吸收全频段声波，尤其在低频段，吸声效果优于传统材料。”张锁贵介绍该材料吸声和隔声机理时说，材料采用致密陶瓷骨架与柔性阻尼层结合的设计，形成质量—弹簧—质量系统，有效阻断声波穿透。
日前，山西天合申报的《多孔陶瓷吸声板》团体标准在中国建筑装饰装修材料协会立项，填补了国内废渣制备建筑声学材料标准体系空白。
从实验室走向场景应用
多孔陶瓷材料实际应用效果如何？2024年9月，阳泉市南外环一号隧道“多功能生态陶瓷吸声板交通隧道示范工程”项目启动，该成果首次场景应用。
阳泉南外环一号隧道已运行20余年，车流量大，混凝土侧墙与顶棚形成的硬质反射面导致噪声反复叠加，声环境差。
“我们在阳泉市科技部门的大力协调帮助下，获得了成果应用场景。”张锁贵说，“不到一周，我们在145米长的隧道侧墙安装了1450平方米多孔陶瓷材料吸声板，完成了隧道降噪改造。”
多孔陶瓷材料应用成功，达到设计目标。东南大学出具的声学检测报告显示：这款产品吸声降噪性能优异，平均吸声系数达0.6，即吸收60%以上噪声能量。同时，这款产品防火等级达最高标准A级，完全不燃烧；使用寿命超20年。“数据显示，多孔陶瓷材料轻且降噪，大幅缩短混响时间。改造后，隧道中频混响时间从6秒骤降至1.1秒，接近普通房间声学条件，语音清晰度有质的飞跃。这意味着在火灾、事故等紧急情况下，疏散指令能清晰传达，关键时刻能救命。”张锁贵说，“经半年观察，该产品在北方严寒冬季条件下性能未衰退。”
首次场景应用让山西天合对大面积推广多孔陶瓷材料信心十足。张锁贵说：“未来我们将以项目招商、技术授权转移、股权合作的方式推动科研成果进一步转化。”据悉，公司已与济南凤凰黄河大桥南延工程声屏障项目达成意向，预计供货约10万平方米。“这为成果在山西乃至全国推广提供了可复制路径：因地制宜利用当地固废资源，通过标准化保障技术推广，以示范工程引领带动，逐步拓展应用场景。”阳泉市科技局有关负责人说。
多孔陶瓷材料研制成功，开创了噪声治理与固废利用双赢路径。阳泉市科技局有关负责人表示，该成果价值具有多维度，在民生层面直接改善隧道声环境，提升驾驶安全性和舒适度；在生态文明层面，将工业固废变为高值化新材料；在产业转型层面，推动传统建材向绿色建材升级，培育新质生产力。“全国现有公路隧道2.3万余座，未来5年新增需求保守估计达4000万平方米；绿色建筑领域年需求约800万平方米；还有地铁、洁净空间等细分市场，多孔陶瓷材料应用潜力巨大。”张锁贵说，“我希望用科技更好地服务美丽中国建设。”
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