Разработан новый материал, сочетающий в себе прочность и эффективные демпфирующие свойства.
Компрессор гудит, система кондиционирования воздуха шумит, шасси железнодорожного вагона гремит, посылая эхо через пассажиров. Вибрации не только раздражают, но и могут быть вредными. В долгосрочной перспективе они могут разрушать материалы и машины, сокращая их срок службы. Более того, шум, создаваемый вибрациями, вреден для здоровья и благополучия человека.
Для смягчения вибраций и шума инженеры используют демпфирующие материалы, такие как пены, резина и механические элементы в виде пружин или амортизаторов во многих технических приложениях. Однако это часто делает эти приложения более громоздкими, тяжелыми и дорогими. Более того, не всегда возможно эффективно подавить вибрации с помощью модернизированных демпфирующих элементов.
Это причина высокого мирового спроса на материалы, которые являются жесткими, несущими нагрузку и обладают эффективными внутренними демпфирующими свойствами. Однако создать такой материал непросто, поскольку эти два свойства обычно являются взаимоисключающими.
Исследователи материалов ETH разработали материал, который сочетает в себе эти предположительно несовместимые свойства. Их работа привела к созданию материалов, которые состоят из слоев жестких материалов, соединенных сверхтонкими резиноподобными слоями, образованными путем сшивания смеси полидиметилсилоксана (PDMS).
Первые прототипы включали использование кремниевых и стеклянных пластин толщиной 0,2–0,3 мм, соединенных резиноподобными слоями толщиной всего несколько сотен нанометров. Различные испытания показали, что эти новые композитные материалы действительно обладают свойствами, на которые надеялись исследователи.
Исследователи запатентовали свое изобретение в начале лета этого года и теперь опубликовали его в журнале Composites Part B: Engineering.
Исследователи использовали компьютерные модели для расчета толщины соединительных резиноподобных слоев, чтобы одновременно достичь высокой жесткости и демпфирования композитного материала.
Эти расчеты показали, что толщина слоя должна быть определенного соотношения для получения желаемых свойств материала. Согласно расчетам, демпфирующие полимерные слои должны составлять менее 1 процента от общего объема материала, в то время как жесткие стеклянные или кремниевые слои должны составлять не менее 99 процентов.
«Если полимерный слой слишком тонкий, демпфирующий эффект будет очень незначительным. Если он слишком толстый, материал недостаточно жесткий», — объясняет Цимоури.
На следующем этапе она и Казери экспериментально проверили расчеты и создали несколько вариантов композитного материала в лаборатории.
Материал, который Цимоури использовала для жестких слоев, включал стекло того типа, который используется в смартфонах. Полимер получают с использованием смеси коммерчески доступных полимеров на основе PDMS, которые содержат химически активные участки. При добавлении катализатора эти участки объединяются, образуя полимерную сеть, т. е. резиноподобный полимер, который соединяет жесткие пластины как двухкомпонентное уплотнение.
Далее исследователи продолжили тестировать зависящие от частоты и температуры механические свойства слоистых материалов (ламинатов) с помощью трехточечного испытания на изгиб. Они также использовала простой, но содержательный практический тест: бросали пластины ламината с высоты 25 сантиметров на стол и сравнивала акустическое и механическое демпфирование с пластиной того же размера, сделанной из чистого стекла.
Ламинат показал превосходные демпфирующие свойства, но также и устойчивость. Он имел гораздо более тихий удар по столу и не отскакивал. Чистое стекло, с другой стороны, ударялось о стол с громким грохотом, отскакивало и переворачивалось.
«Используя этот тест, я смогла показать, что ламинат отлично гасит вибрации и шум», — говорит Цимоури.
По словам исследователей, ламинат может использоваться во многих областях — от оконного стекла и корпусов машин до деталей автомобилей. Он может найти применение в аэрокосмической и сенсорной технике, где передовые демпфирующие материалы пользуются очень большим спросом. «Глобальный рынок демпфирующих материалов огромен», — подчеркивают исследователи.
У ламината есть еще одно преимущество: используемый полимер устойчив к температуре и может выдерживать широкий диапазон температур без изменения своих демпфирующих свойств. Полимер становится стекловидным и теряет демпфирующую способность только при температуре ниже минус 125 градусов по Цельсию.
В конечном счете, такой ламинат также будет устойчивым и сбережет ресурсы. Стекло и кремний можно легко перерабатывать. При расплавлении небольшие количества полимера разложатся до стекла и не повлияют на процесс переработки.
Источник: https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/10/a-stiff-material-that-stops-vibrations-and-noise.html
Вас также может заинтересовать: