新型复合材料采用超薄橡胶层，兼具刚度和高阻尼能力

Josiah02

压缩机嗡嗡作响，空调系统嘎嘎作响，火车车厢底盘咔哒作响，这些都会在乘客中引起回响。振动不仅令人烦恼，而且有害。从长远来看，振动会损坏材料和机器并缩短其使用寿命。更重要的是，振动产生的噪音对人类健康和幸福有害。
为了减轻振动和噪音，工程师在许多技术应用中使用阻尼材料，例如泡沫、橡胶和弹簧或减震器形式的机械元件。然而，这通常会使这些应用更笨重、更重且更昂贵。此外，使用改装的阻尼元件并不总是能够有效地抑制振动。
这就是全球对刚性、承载力和有效内部阻尼能力材料需求量大的原因。然而，制造这样的材料并不容易，因为这两种特性通常是相互排斥的。
ETH 材料研究人员现在已经开发出一种材料，可以将这些原本不相容的特性结合在一起。Ioanna Tsimouri 在材料系教授 Andrei Gusev 和 Walter Caseri 的帮助下，在她的博士论文中实现了这一壮举。
她的工作促成了一种材料的诞生，这种材料由多层坚硬材料组成，这些材料通过由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 混合物交联形成的超薄橡胶层连接起来。
第一批原型使用厚度为 0.2-0.3 毫米的硅和玻璃板，通过厚度仅为几百纳米的橡胶状层连接。各种测试表明，这些新型复合材料确实具有研究人员所希望的特性。
研究人员于今年初夏为他们的发明申请了专利，并将其发表在《复合材料 B 部分：工程》杂志上。
纯玻璃（第一序列）和新层压板（第二序列）的跌落测试：玻璃板在撞击时反弹并发出很大的噪音，而层压板则不会。来源：Tsimouri I 等人。复合材料 B 部分：工程，2024 年
理论上推导
研究人员与材料物理学家古塞夫合作，首先使用计算机模型计算连接的橡胶层需要多厚才能同时实现复合材料的高刚度和阻尼。
这些计算表明，层厚度必须达到特定比例才能显示所需的材料特性。根据计算，阻尼聚合物层需要占总材料体积的 1% 以下，而刚性玻璃或硅层则需要占至少 99%。“如果聚合物层太薄，阻尼效果就会很小。如果太厚，材料就不够坚硬，”Tsimouri 解释道。
在实验室中实施
接下来，她和卡塞里通过实验验证了计算结果，并在实验室中制作出了几种复合材料的变体。
Tsimouri 用于刚性层的材料包括智能手机中使用的玻璃。聚合物是使用市售的含有化学反应位点的 PDMS 基聚合物混合物获得的。当添加催化剂时，这些位点结合形成聚合物网络，即一种橡胶状聚合物，像双组分密封一样连接刚性板。
在英国同事 Peter Hine 的帮助下，材料研究人员采用三点弯曲试验测试了层状材料（层压板）的频率和温度相关机械性能。
她还做了一个简单但有意义的实际测试：她将层压板从 25 厘米的高度扔到桌子上，并将其声学和机械阻尼与相同尺寸的纯玻璃板进行比较。
层压板不仅具有出色的阻尼性能，而且稳定性也很好。它对桌面的冲击要小得多，而且不会反弹。而纯玻璃则发出巨大的撞击声，然后反弹并翻倒。“通过这项测试，我能够证明层压板在减震和降噪方面非常出色，”Tsimouri 说。
耗时的检查
她说：“在找到一种 PDMS 聚合物混合物之后，可以得到一种在很宽的温度范围内具有增强的阻尼性能的橡胶状聚合物，接下来最大的困难就是创建所需厚度的橡胶状层。”
由于聚合物在加入催化剂后会迅速发生反应，她必须开发一种特殊工艺将溶液涂到玻璃或硅片上。她还花了很多时间检查层的厚度。为此，她必须制作层压板的横截面并在扫描电子显微镜下检查它们。“这非常耗时，”她回忆道。
据研究人员称，这种层压板可用于多种用途——从窗户玻璃、机器外壳到汽车零部件。它可以应用于航空航天和传感器技术，这些领域对先进阻尼材料的需求非常大。“全球阻尼材料市场巨大，”研究人员强调。
这种层压板还有另一个优点：所用的聚合物耐高温，可以承受各种温度，阻尼性能不会发生任何变化。只有在温度低于 -125°C 时，聚合物才会变成玻璃状并失去阻尼能力。
最终，这种层压板也将是可持续的，并节约资源。玻璃和硅可以轻松回收。熔化后，少量聚合物会分解成玻璃，不会影响回收过程。
Caseri 相信这项技术很容易推广。“拥有合适机器的制造商也可以生产几平方米大小的层压板。制造过程并不复杂。”