Изобретен новый композитный материал, использующий сверхтонкие резиноподобные слои, чтобы сочетать жесткость с высокой демпфирующей способностью
Компрессор гудит, система кондиционирования воздуха гремит, шасси железнодорожного вагона гремят, посылая эхо через пассажиров. Вибрации не только раздражают, но и могут быть вредны. В долгосрочной перспективе они могут разрушать материалы и машины и сокращать срок их 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 подавлять вибрации с помощью модернизированных демпфирующих элементов.
Это является причиной высокого мирового спроса на материалы, которые являются жесткими, несущими нагрузку и обладают эффективными внутренними демпфирующими возможностями. Однако создать такой материал непросто, поскольку эти два свойства обычно являются взаимоисключающими.
Исследователи материалов ETH разработали материал, который сочетает в себе эти якобы несовместимые свойства. Иоанна Цимоури достигла этого в своей докторской диссертации при содействии Андрея Гусева и Уолтера Казери, профессоров кафедры материалов.
Ее работа привела к созданию материалов, которые состоят из слоев жестких материалов, соединенных сверхтонкими резиноподобными слоями, образованными путем сшивания смеси полидиметилсилоксана (ПДМС).
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.
Теоретически выведено
Работая с физиком-материаловедом Гусевым, исследователь сначала использовал 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 определенным соотношением, чтобы отобразить желаемые свойства материала. Согласно расчетам, демпфирующие полимерные слои должны составлять менее 1% от общего объема материала, в то время как жесткие стеклянные или кремниевые слои должны составлять не менее 99%. «Если полимерный слой слишком тонкий, демпфирующий эффект будет очень незначительным. Если он слишком толстый, материал недостаточно жесткий», — объясняет Цимоури.
Реализовано в лаборатории
На следующем этапе она и Казери проверили расчеты экспериментально и создали несколько вариантов композитного материала в лабораторных условиях.
Материал, который Tsimouri использовал для жестких слоев, включал стекло того типа, что используется в смартфонах. Полимер получен 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 подобно двухкомпонентному уплотнению.
При содействии британского коллеги Питера Хайна исследователь материалов приступил к испытанию механических свойств слоистых материалов (ламинатов), зависящих от частоты и температуры, с помощью испытания на трехточечный изгиб.
Она также использовала простой, но содержательный практический тест: она бросала ламинированные пластины с высоты 25 сантиметров на стол и сравнивала акустическое и механическое затухание с пластиной того же размера, изготовленной из чистого стекла.
Ламинат продемонстрировал отличные демпфирующие свойства, но также и устойчивость. Он имел гораздо более тихий удар о стол и не отскакивал. Чистое стекло, с другой стороны, ударилось о стол с громким грохотом, отскочило и перевернулось. «Используя этот тест, я смог показать, что ламинат отлично гасит вибрации и шум», — говорит Цимоури.
Длительные обследования
«После того, как была найдена смесь полимеров PDMS, которая дает резиноподобный полимер с улучшенными характеристиками демпфирования в широком диапазоне температур, следующей большой трудностью стало создание резиноподобного слоя желаемой толщины», — говорит она.
Поскольку полимеры быстро реагируют после добавления катализатора, ей пришлось разработать специальный процесс нанесения растворов на стеклянные или кремниевые диски. Она также потратила много времени на проверку толщины слоев. Для этого ей пришлось изготовить поперечные сечения ламината и изучить их под сканирующим электронным микроскопом. «Это было чрезвычайно трудоемко», — вспоминает она.
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 термоустойчив и может выдерживать широкий диапазон температур без изменения своих демпфирующих свойств. Полимер становится стекловидным и теряет демпфирующие свойства только при температуре ниже -125°C.
В конечном итоге такой ламинат также будет устойчивым и сберегает ресурсы. Стекло и кремний можно легко перерабатывать. При расплавлении небольшие количества полимера разложатся до стекла и не повлияют на процесс переработки.
Казери считает, что технология легко масштабируется. «Производители с нужными машинами также могут производить ламинат в панелях размером в несколько квадратных метров. Процесс производства не так уж и сложен».