ETH利用超薄类橡胶层开发新型复合材料 兼具刚度
2024-10-20 12:11 • By 欧易
盖世汽车讯 为了减轻振动和噪音，工程师在许多技术应用中使用泡沫、橡胶等阻尼材料，以及弹簧或减震器等机械部件。然而，这往往会使相关应用更笨重且更昂贵。此外，使用改装的阻尼部件并不总能有效地抑制振动。因此，全球对刚性承重和具有有效内部阻尼性能的材料需求很高。然而，创造这样的材料并不容易，因为这两种特性通常相互排斥。
据外媒报道，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发出一种由坚硬材料层组成的材料，可以将这些原本不相容的特性结合在一起。
这种材料由多层坚硬材料组成，而这些材料层通过由聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物交联形成的超薄类橡胶层连接起来。第一批原型使用厚度为0.2–0.3 mm的硅和玻璃板，通过厚度仅为几百纳米的类橡胶层连接。各种测试表明，这些新型复合材料确实具有研究人员所期望的特性。相关发明已获得专利，并发表在期刊《Composites Part B: Engineering》上。
研究人员首先通过计算机模型来计算连接用类橡胶层所需的厚度，以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，才能展现出所需的材料性能。根据计算，阻尼聚合物层需要占总材料体积的不到1%，而刚性玻璃或硅层至少要占99%。研究人员Ioanna Tsimouri表示：“如果聚合物层太薄，阻尼效果就很小。如果太厚，材料就不够坚硬。”
研究人员接着通过实验验证了计算结果，并在实验室中生产了几种不同的复合材料。Tsimouri用于刚性层的材料包括智能手机中使用的玻璃类型。该聚合物是使用市售PDMS基聚合物（含化学反应位点）的混合物而获得的。当添加催化剂时，这些位点结合形成聚合物网络，即一种类似橡胶的聚合物，像双组分密封一样将刚性板连接起来。
材料研究人员继续使用三点弯曲测试来测试分层材料（层压板）的机械性能（关于频率和温度）。在另外一项简单但有意义的实际测试中，研究人员将层压板从25厘米高的地方扔到桌子上，并就声学和机械阻尼与同尺寸纯玻璃板进行了比较。该层压材料表现出优异的阻尼性能，但也具有稳定性。它对桌子的冲击要小得多，没有发生反弹。而纯玻璃则砰的一声撞到桌子上，弹起并翻转了过来。Tsimouri表示：“这个测试能够证明，这种层压材料在抑制振动和噪音方面非常出色。”
Tsimouri表示：“在发现PDMS聚合物的混合物可以产生在宽温度范围内具有增强阻尼性能的类橡胶聚合物后，下一个最大的困难是在所需厚度下制造类橡胶层。”由于添加催化剂后聚合物会迅速发生反应，研究人员必须开发一种特殊的工艺来将溶液应用于玻璃或硅盘上，并耗费很长时间来检查层厚度。这需要制作层压材料的横剖面，并在扫描电子显微镜下对其进行检查。
据介绍，这种层压板可以应用于许多领域，如窗户玻璃、机器外壳和汽车零部件。它在航空航天和传感器技术中具有应用潜力，这些领域对先进的阻尼材料的需求非常高。
这种层压板还有另一个优点，即所用聚合物具有耐高温性，可以承受广泛的温度范围而不改变其阻尼性能。只有在温度低于零下125°C时，聚合物才会变成玻璃状，并失去阻尼能力。最终，这种层压板还将具有可持续性，并节约资源。玻璃和硅可以轻松回收。少量聚合物在熔化后会分解成玻璃状物，而不影响回收过程。
研究人员认为，这项技术易于扩展。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，制造过程并没有那么复杂。
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