微米级木质薄膜制造扬声器，环保又经济！
2019-11-23 08:33:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期发表于《自然通讯》的一份报告中，Wentao Gan与其美国的材料科学与工程研究团队详细介绍了使用超薄天然木材薄膜制作扬声器的方法。这种结构表现出优异的机械性能，如抗张强度变大、杨氏模量增加。超薄的厚度和出色的机械强度赋予扬声器出色的声学特性：与采用聚丙烯振膜的商用扬声器相比，共振频率更高、振幅更大。为了进行概念验证，Wentao Gan及研究人员直接将超薄木膜用于真实扬声器来发出音乐。这种木质薄膜的出色机械和声学性能，使其有希望成为下一代扬声器的薄膜选择。

从上而下的方法示意图，展示了如何将天然轻木直接变为超薄木膜。（a）左：具有多孔结构的天然木材示意图；中：木质细胞壁中纤维素纤维的微观结构；右：纤维素纤维的分子链。（b）左：超薄木材的示意图，及其错综复杂的压缩木质通道；中：超薄木材细胞壁中高取向的纤维素纤维的微观结构；右：相邻纤维素分子链之间形成的氢键。（c）实验室中制造的长度为1米左右、厚度为300微米的天然轻木。

微米级至纳米级的薄膜在太阳能电池、食品包装、水处理、消费电子产品和声学传感器中的应用中表现出多种功能。声学振膜通常非常薄（微米级），并且具有高模量的机械坚固性，才能提供高度灵敏的频率响应和很大的振动幅度。在过去的几十年里，物理学家和工程师们付出了巨大的努力，开发了多种基于塑料、金属、陶瓷和碳的声学薄膜材料，以提高音频质量。

塑料薄膜由于成本低和易于制造而广泛用于商业扬声器中，但由于无法有效降解，对环境造成了巨大影响。与塑料薄膜相比，金属、陶瓷和碳基材料具有更高的杨氏模量，从而改善了声学振膜的频率响应。但这些元件往往成本较高，并且需要复杂、耗能的制造工艺。因此，人们期望开发出具有成本效益、可生物降解的绿色环保声学薄膜。

木质薄膜的形态和化学表征

基于天然纤维素的材料，例如蔗渣、木纤维、几丁质、棉花、细菌纤维素和木质纤维素，提供了对环境友好的平台，可以在不使用有限化石资源的情况下快速生产薄膜。木材的天然结构提供更佳的伸缩性和机械强度，是纤维素膜的有效替代品。与自下而上的方法相比，木材可以用自上而下的方法以可扩展且具有成本效益的方法制作薄膜。保持纤维素纤维的排列将允许所得材料具有坚固的机械性能。与塑料和金属相比，木材还具有可再生性、可生物降解性和环境可持续性。

在近期开展的工作中，为了获得厚度低至8.5微米的超薄薄膜，Wentao Gan等人提出了一种从天然轻木中部分除去木质素（脱木素）和半纤维素的新方法。由此产生了一种高度多孔的材料，该材料将大部分纤维素保留在细胞壁中，然后通过热压提高处理后的木材密度，从而使厚度减少了97%。紧密堆积的木质细胞壁结构与高度一致排列的纤维素纤维结合，有助于获得超高的抗张强度和高杨氏模量。该研究小组使用常规的切割方法在实验室中开发了1米长的天然轻木薄膜，通过自上而下的方法展示了该材料的量产潜力。

木质薄膜的机械性能

木质薄膜的形态表征。（a）旋转切割的天然木材的照片。（b）天然木材的SEM图像，厚度为300微米。插图：天然木材的SEM俯视图，显示其多孔木材结构。（c）超薄木材的照片。（d）超薄木膜的SEM图像，表明其结构致密。插图：超薄木材的SEM俯视图，显示其塌陷的木质细胞壁。（e）沿长度方向以5微米的间隔测量超薄木材厚度，表明薄膜厚度均匀。（f，g）超薄木材的SEM图像，纤维素纤维一致排列。（h）超薄木材的小角度XRD图案，表明纤维素纳米纤维的各向异性排列。

Wentao Gan等人沿其纵向切割天然木材以保护其通道结构，并使用扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构。与天然木材相比，超薄木膜中的纤维素纳米纤维保持取向高度一致，但层压更为紧密。X射线衍射（XRD）分析表明，纤维素纳米纤维的分子排列和晶体结构得以保留，这对材料的机械性能至关重要。

为了获得材料的机械性能表现，研究团队进行了机械拉伸试验。与天然木材相比，超薄木材的机械性能大大提高，断裂强度提高到342MPa，杨氏模量达到43.65GPa。这表明，与天然木材相比，抗张强度提高了近20倍，杨氏模量提高了35倍。

科学家们非常希望知道底层机理。为此，他们使用SEM进行观察，并在拉伸试验后证明了在天然木材切片中的多孔微结构具有许多通道。这使得松散组合的木材在拉伸过程中更容易被拉动，这解释了观察到的天然木材的断裂强度低的原因。相反，经过致密化后，合成的超薄木膜中的木细胞壁在牢固压缩的纤维素纳米纤维之间形成了氢键，需要更多的能量才能拉开。

使用超薄木质振膜制成的扬声器原型照片。电磁力作用在线圈上，线圈带动振动膜来回振动，从而将电信号转换为可听见的声音。

木质薄膜的机械性能。（a）沿纵向的拉伸实验示意图。（b）天然木材（蓝线）和超薄木质薄膜（红线）的抗张强度随应力的变化。（c）天然木材和超薄木膜的抗张强度和杨氏模量的比较，误差棒代表标准偏差。（d，e）天然木材和超薄木膜的拉伸断裂表面的SEM图像。（f）将超薄木膜与其它广泛使用的聚合物和天然材料的抗张强度和杨氏模量进行比较。（PA：聚酰胺；PMMA：多聚甲基丙烯酸甲酯；PS：聚苯乙烯；PP：聚丙烯）（g-j）超薄木膜的照片，展示了它的柔韧性和各种折纸设计。（k，l）弯曲后的天然木材的照片和SEM图像，显示坚硬的木材结构。（m，n）弯曲后的超薄木膜的照片和SEM图像，显示出优异的柔韧性和折叠性能。

木质薄膜的声学和振动行为

超薄薄膜的高抗张强度和杨氏模量也超过了常见的塑料和天然生物材料，从而证明了其出色的机械性能。出色的灵活性和可折叠性使研究团队能够开发各种折纸设计。而脆性的天然木材则不具备这种延展性。可折叠性也让超薄木膜在光子学、声学传感器和柔性电子器件中的潜在用途令人关注。木质薄膜的高杨氏模量和超薄特性有助于提高共振频率，并提高膜的振幅。超薄木膜的这些特性非常适合用作需要大工作带宽、对灵敏度要求高的麦克风、高声压级的扬声器等声学换能器的振动膜。

新结构成为了一种非常具有吸引力的传统聚合物薄膜的替代品选择，从而允许超薄木膜用于大工作带宽、高灵敏度和高声压级的声学换能器。为了确认其会增加共振频率和振幅的特性，该团队测试了超薄木膜与常规聚合物薄膜的频率响应，并加以对比。结果显示超薄木膜是高性能声学换能器的理想选择。

木质薄膜的声学特性。（a）振动频率响应测量系统示意图。插图：商用聚合物振膜和超薄木膜的照片。（b）超薄木膜（50微米）和商用聚合物（80微米）薄膜的振动频率响应特性。（c，d）分别是聚合物（80微米）和超薄木膜（50微米）的（0，1）模态振型。（e）超薄木膜（50微米）和聚合物（80微米）薄膜的位移和第一共振频率的对应图。（f）不同厚度的超薄木膜的振动频率响应特性。（g）位移和第一共振频率随木膜厚度变化而变化的曲线。

木质扬声器原型。a.木质扬声器原型的示意图。b.带有木质振动膜的扬声器照片。c.《西班牙斗牛士进行曲》原始声波。d.用木质振膜实现的扬声器播放《西班牙斗牛士进行曲》的声波。

Wentao Gan等人展示了超薄木膜作为声学换能器完成微型扬声器拥有广阔的应用前景。原型包含一片木质振膜和一块带有微型扬声器的电路板，其中有一个铜线圈和永磁体。该设计有助于电磁力作用在线圈上，并引起振膜来回振动。由于振膜引起气压变化，将电信号转换为可听见的声音，并使用麦克风和声波记录了扬声器原型可听见的声音，并使用Adobe Audition CC对其进行了分析。研究小组使用该扬声器播放《西班牙斗牛士进行曲》的录音。他们希望在现有的工业工艺中进一步改善振膜结构设计和精密组装。对这种技术持续挖掘，可以为麦克风、助听器和声学传感器的制造提供更多的帮助。

沿着这个思路，Wentao Gan及其同事开发并展示了一种有效的自上向下策略，可以对天然木材进行脱木素和致密化处理，以制造厚度小于10微米的超薄木膜。他们观察到超薄木膜的微观结构较为独特，该木膜具有交错的木质细胞壁和排列整齐的纤维素纳米纤维，从而改善了抗张强度和杨氏模量，因此具有出色的机械性能。研究团队获得了一种高性能的声学换能器，该换能器具有更高的谐振频率和更大的振幅。绿色扬声器原型通过超薄木材的振动产生音频，具有广泛的声学应用。研究团队设想，该技术将使用可持续和可生物降解的自然资源替代塑料、金属和陶瓷，为声学材料打开更多功能和应用之门。

延伸阅读：

《MEMS麦克风、微型扬声器和音频解决方案-2019版》

《USound Achelous MEMS扬声器：UT-P 2016》