Новый материал сочетает в себе жесткость и демпфирование колебаний
Исследователи-материаловеды создали новый композитный материал, который сочетает в себе два несовместимых свойства: жесткость и высокую демпфирующую способность.
- Колебания и вибрации наносят вред машинам и зданиям, а шум влияет на здоровье и благополучие человека. Следовательно, необходимы демпфирующие материалы, которые не только жесткие и выдерживают нагрузку, но и снижают уровень шума.
- На основе моделирования исследователи материалов из ETH разработали композитный материал, сочетающий в себе оба этих свойства.
- Он состоит из слоев жесткого материала в сочетании с супертонкими полимерными прослойками.
Вибропоглощающие и звукопоглощающие материалы, такие как листы резины и пенопласта, обычно толстые, громоздкие и мягкие. Однако новый материал является большим исключением из этой тенденции, поскольку он поглощает вибрации, оставаясь при этом жестким и тонким.
Обычно, если вы хотите построить прочную и негнущуюся конструкцию, которая также способна поглощать неприятные вибрации, вам приходится комбинировать несущие нагрузку жесткие материалы с более мягкими веществами. Другой вариант — включить в конструкцию механические амортизаторы.
В любом случае готовый продукт будет тяжелее, больше и дороже, чем если бы использовались только жесткие материалы. Вот тут-то и появляется новый композитный материал.
Разработанный учеными в исследовательском институте ETH Zurich, он состоит из ультратонких сложенных слоев жесткого материала, соединенных еще более тонкими слоями эластичного полимера. Первоначальные прототипы состояли из стеклянных пластин толщиной от 0,2 до 0,3 мм, перемежающихся слоями силикона PDMS (полидиметилсилоксан), толщина которых составляла всего несколько сотен нанометров.
Это соотношение было важным, поскольку компьютерные модели показали, что для достижения желаемых результатов композит должен был состоять как минимум на 99% из жесткого материала (по объему) и менее чем на 1% из полимера. «Если слой полимера слишком тонкий, демпфирующий эффект будет очень слабым», — говорят ученые. «Если он слишком толстый, материал недостаточно жесткий».
Образцы материала выдержали стандартные испытания на прочность при трехточечном изгибе, а также продемонстрировали превосходные демпфирующие свойства вплоть до температуры -125 ºC.
В демонстрации свойств композита, которую можно увидеть на видео ниже, листы материала и стандартного стекла были сброшены с высоты 25 см на поверхность стола. В то время как стекло подпрыгнуло в воздух и издало громкий лязгающий звук, композит не подпрыгнул и издал приглушенный звук.
Есть надежда, что как только технология будет развита дальше, различные версии материала могут быть использованы в таких приложениях, как окна, корпуса машин, автомобильные детали и даже аэрокосмические компоненты.
И в качестве дополнительного бонуса, текущая версия композита на основе стекла может быть полностью переработана, поскольку небольшие количества PDMS разлагаются на стекло при плавлении.
Статья об исследовании была недавно опубликована в журнале Composites Part B: Engineering.