コンプレッサーがうなり、空調システムがガタガタ音を立て、鉄道車両のシャーシがガタガタ音を立てて乗客に反響を伝えます。振動は煩わしいだけでなく、有害な場合もあります。長期的には、材料や機械を破壊し、耐用年数を縮める可能性があります。さらに、振動によって発生する騒音は人間の健康と幸福に有害です。

振動や騒音を軽減するために、エンジニアは多くの技術用途でフォーム、ゴム、バネやショックアブソーバーの形の機械要素などの減衰材料を使用します。ただし、これにより、これらのアプリケーションは大きくなり、重くなり、高価になることがよくあります。さらに、後付けの減衰要素を使用して振動を効果的に抑制できるとは限りません。

これが、剛性があり、耐荷重性があり、効果的な内部減衰機能を備えた材料に対する世界的な需要が高い理由です。ただし、この 2 つのプロパティは通常相互に排他的であるため、このようなマテリアルを作成するのは簡単ではありません。

ETH材料の研究者は現在、これらの相容れないと思われる特性を組み合わせた材料を開発しました。イオアンナ・チムウリは、材料学部の教授であるアンドレイ・グセフとウォルター・カセリの支援を受けて、博士論文でこの偉業を達成しました。

彼女の研究は、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 混合物を架橋することによって形成された極薄のゴム状層で接続された硬い材料の層で構成される材料の作成を生み出しました。

最初のプロトタイプにはシリコンとガラス板厚さは 0.2 ～ 0.3 mm で、厚さはわずか数百ナノメートルのゴム状の層で接続されています。さまざまなテストにより、これらの新しい複合材料が実際に研究者が期待していた特性を備えていることが明らかになりました。

研究者らは今年の初夏に発明の特許を取得し、現在は出版されたそれは日記で複合材料パート B: エンジニアリング。

理論的に導き出された

材料物理学者のグセフと協力して、研究者はまずコンピューターモデルを使用して、複合材料の高い剛性と減衰を同時に達成するために接続するゴム状層の厚さを計算しました。

これらの計算により、望ましい材料特性を表示するには層の厚さが特定の比率である必要があることが明らかになりました。計算によると、制振ポリマー層は材料の総体積の 1% 未満を構成する必要があり、一方、硬質ガラスまたはシリコン層は少なくとも 99% を占める必要があります。「もし、ポリマー層薄すぎます。厚すぎると、素材の剛性が不十分になります」とチムウリ氏は説明します。

研究室での実装

次のステップで、彼女とカセリは計算を実験的に検証し、実験室で複合材料のいくつかのバリエーションを作成しました。

硬質層に使用された材料 Tsimouri には、スマートフォンで使用されるタイプのガラスが含まれていました。このポリマーは、化学反応性部位を含む市販の PDMS ベースのポリマーの混合物を使用して得られます。触媒を添加すると、これらの部位が結合してポリマーネットワーク、つまり、2 成分シールのように硬いプレートを接続するゴム状ポリマーです。

英国のピーター・ハイン准教授の協力を得て、この材料研究者は、3 点曲げ試験を使用して、層状材料 (積層体) の周波数および温度に依存する機械的特性の試験を続けました。

彼女はまた、シンプルだが有意義な実践テストも行いました。ラミネートプレートを 25 センチメートルの高さからテーブルの上に落とし、音響および機械的減衰を、同じサイズの純粋なガラス製のプレートの減衰と比較しました。

この積層体は優れた減衰特性を示し、さらに安定性も示しました。テーブルへの衝撃はずっと静かで、弾むこともありませんでした。一方、純粋なガラスは、大きな音を立ててテーブルにぶつかり、跳ね返り、ひっくり返りました。「このテストを使用して、ラミネートが振動と騒音の減衰に優れていることを示すことができました」と Tsimouri 氏は言います。

時間のかかる検査

「広範囲の温度にわたって減衰性能が強化されたゴム状ポリマーをもたらす PDMS ポリマーの混合物を発見した後、次に最大の困難は、ゴム状層を目的の厚さに作成することでした。」と彼女は言います。

触媒を添加するとポリマーが急速に反応するため、溶液をガラスまたはシリコンのディスクに塗布する特別なプロセスを開発する必要がありました。彼女は層の厚さのチェックにも多くの時間を費やしました。これを行うには、ラミネートの断面を作成し、走査型電子顕微鏡で検査する必要がありました。「これには非常に時間がかかりました」と彼女は思い出します。

研究者らによると、このラミネートは窓ガラスや機械の筐体から自動車部品に至るまで、多くの用途に使用できる可能性があるという。高度な制振材料の需要が非常に高い航空宇宙およびセンサー技術に応用できる可能性があります。「制振材の世界市場は巨大です」と研究者らは強調する。

このラミネートにはもう 1 つの利点があります。使用されているポリマーは耐熱性があり、減衰特性を変えることなく幅広い温度に耐えることができます。ポリマーは、-125 °C 未満の温度でのみガラス状になり、減衰能力を失います。

最終的には、このようなラミネートも持続可能であり、資源を節約することができます。ガラスやシリコンは簡単にリサイクルできます。溶けると、少量のポリマーに分解されるだろうガラスリサイクルプロセスには影響しません。

Caseri 氏は、このテクノロジーは簡単に拡張できると考えています。「適切な機械を備えたメーカーは、数平方メートルの寸法のパネルでラミネートを製造することもできます。製造プロセスはそれほど複雑ではありません。」

詳細情報:イオアナ Ch.Tsimouri et al、サブミクロンの粘弾性中間層と剛性と減衰の型破りな組み合わせを備えた軽量シリコンとガラスの複合材、複合材料パート B: エンジニアリング（2024年）。DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111717