材料科学家开发了一种新型复合材料，该材料成功地融合了两种看似对立的特性：刚性和高阻尼能力。
日常经验，如压缩机的嗡嗡声、空调单元的震动或铁路车厢的撞击声，都会产生让乘客烦恼的振动。虽然这些振动可能令人恼火，但随着时间的推移，它们也可能对材料和机械造成损害，最终缩短其使用寿命。此外，产生的噪音可能对人类健康和整体福祉构成威胁。
为了应对振动和噪音的问题，工程师们通常求助于阻尼材料，如泡沫、橡胶以及机械组件，包括弹簧或减震器。然而，在许多应用中，融入这些材料可能导致体积、重量和成本的增加。此外，对现有设计进行改装以增加阻尼元素并不总能产生有效的结果。
这种需求强调了对具有刚性、能够承载负荷并能有效进行内部阻尼的材料的需求。实现一种具备所有这些特性的材料是一项挑战，因为刚性和阻尼往往是相互矛盾的。
瑞士联邦理工学院（ETH）的研究人员创造了一种整合这些看似不兼容特性的材料。Ioanna Tsimouri在她的博士研究中，在材料系安德烈·古谢夫和瓦尔特·卡塞里教授的指导下，开创了一种新的复合材料。这种新材料由刚性物质层和由交联聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物制成的超薄橡胶状层连接而成。
初始原型使用的硅和玻璃板厚度在0.2到0.3毫米之间，使用的橡胶状层厚度仅为几百纳米。测试确认这些新复合材料具备研究人员预想的所需特性。
该发明在今夏获得专利，并已在《复合材料B：工程》期刊上发表。
理论导出
与材料物理学家古谢夫合作，团队最初利用计算机模型确定实现高刚性和高阻尼所需粘合橡胶状层的最佳厚度。
他们的计算表明，层的厚度必须与特定的比例相一致，以产生预期的特性。研究发现，阻尼聚合物层应占总材料体积的不到1%，而刚性硅或玻璃层应占至少99%。Tsimouri解释道：“如果聚合物层太薄，其阻尼效果几乎可以忽略不计。相反，如果它太厚，整体材料的刚性就不足。”
实验室实施
接下来，她和卡塞里通过在实验室中生产多种复合材料的变体来验证他们的计算。
在选择刚性成分时，Tsimouri选择了手机级玻璃。聚合物是通过混合现有的基于PDMS的聚合物制成的，这些聚合物包括化学反应位点。当引入催化剂时，这些位点会融合，形成聚合物网络，这是一种橡胶状物质，可将刚性面板像双组分粘合剂一样固定。
在英国合作者彼得·海内的帮助下，研究人员通过三点弯曲测试评估了层压材料的频率和温度依赖的机械特性。她还进行了一个简单而有效的实际测试：将层压板从25厘米的高度掉落到桌子上，并将其声学和机械阻尼与相同大小的玻璃板进行比较。
该层压材料表现出优异的阻尼特性，以及显著的稳定性。它在桌面上的撞击较软，且没有反弹，而纯玻璃则发出噪音并翻倒。Tsimouri指出：“这个测试表明层压材料能够有效地减少振动和噪音。”
研究人员认为，这种层压材料可以广泛应用于窗户玻璃、机械外壳到汽车组件等多个领域。在航空航天和传感器技术中，先进的阻尼材料的需求特别高，这可能也会发挥其价值。“全球阻尼材料市场相当庞大，”研究人员指出。
此外，层压材料的聚合物对温度波动具有抵抗力，在广泛的温度范围内保持其阻尼效果。仅在温度降到零下125摄氏度时，它才会失去阻尼特性并变得玻璃状。
最终，这种层压材料也可能成为一种环保选项，节约资源，因为玻璃和硅是非常容易回收的。熔化时，微小的聚合物残留物会分解成玻璃，回收过程不受影响。
卡塞里相信，这项技术是可扩展的。“拥有合适设备的制造商可以生产几平方米的层压板。这种生产方法相对简单。”
