압축기가 윙윙거리고, 에어컨 시스템이 덜거덕거리고, 철도 객차 섀시가 덜거덕거리며 승객들에게 반향을 보냅니다.진동은 짜증스러울 뿐만 아니라 해로울 수도 있습니다.장기적으로 자재와 기계를 파괴하고 서비스 수명을 단축할 수 있습니다.게다가 진동으로 인해 발생하는 소음은 인간의 건강과 복지에 해롭습니다.

진동과 소음을 완화하기 위해 엔지니어는 다양한 기술 응용 분야에서 폼, 고무 및 스프링이나 충격 흡수 장치 형태의 기계 요소와 같은 감쇠 재료를 사용합니다.그러나 이는 종종 이러한 애플리케이션을 더 부피가 크고, 무겁고, 더 비싸게 만듭니다.게다가 새로 장착된 댐핑 요소를 사용하여 진동을 효과적으로 억제하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다.

이는 견고하고 하중을 견디며 효과적인 내부 감쇠 기능을 갖춘 재료에 대한 수요가 전 세계적으로 높은 이유입니다.그러나 두 가지 속성은 일반적으로 상호 배타적이므로 이러한 재료를 만드는 것은 쉽지 않습니다.

ETH 재료 연구자들은 이제 이러한 양립할 수 없는 특성을 결합한 재료를 개발했습니다.Ioanna Tsimouri는 재료학과 교수인 Andrei Gusev와 Walter Caseri의 도움으로 박사 학위 논문에서 이 위업을 달성했습니다.

그녀의 작업은 폴리디메틸실록산(PDMS) 혼합물을 가교시켜 형성된 매우 얇은 고무 같은 층으로 연결된 단단한 재료의 층으로 구성된 재료의 생성을 불러일으켰습니다.

첫 번째 프로토타입에는 실리콘과유리판두께가 0.2~0.3mm이고 두께가 불과 수백 나노미터에 불과한 고무 같은 층으로 연결되어 있습니다.다양한 테스트를 통해 이러한 새로운 복합 재료가 실제로 연구자들이 기대했던 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.

연구진은 올해 초여름에 발명품에 대한 특허를 얻었고 현재출판됨일기장에 있네복합재 파트 B: 엔지니어링.

이론적으로 도출됨

연구원은 재료 물리학자인 Gusev와 협력하여 먼저 컴퓨터 모델을 사용하여 복합 재료의 높은 강성과 감쇠를 동시에 달성하기 위해 연결 고무 유사 층의 두께가 얼마나 되어야 하는지 계산했습니다.

이러한 계산을 통해 원하는 재료 특성을 표시하려면 층 두께가 특정 비율이어야 함을 알 수 있습니다.계산에 따르면 댐핑 폴리머 층은 전체 재료 부피의 1% 미만을 구성해야 하며, 견고한 유리 또는 실리콘 층은 최소 99%를 차지해야 합니다."만약 다음과 같은 경우 댐핑 효과는 거의 없습니다.폴리머층너무 얇습니다.너무 두꺼우면 소재가 충분히 단단하지 않습니다."라고 Tsimouri는 설명합니다.

실험실에서 구현

다음 단계에서 그녀와 Caseri는 계산을 실험적으로 검증하고 실험실에서 복합 재료의 여러 변형을 생산했습니다.

견고한 레이어에 사용된 Tsimouri 소재에는 스마트폰에 사용되는 유형의 유리가 포함되었습니다.폴리머는 화학적으로 반응하는 부위를 포함하는 상업적으로 이용 가능한 PDMS 기반 폴리머의 혼합물을 사용하여 얻습니다.촉매가 추가되면 이들 부위가 결합하여 다음을 형성합니다.폴리머 네트워크즉, 2성분 밀봉처럼 딱딱한 판을 연결하는 고무 같은 폴리머입니다.

영국 동료 Peter Hine의 도움으로 재료 연구원은 3점 굽힘 테스트를 사용하여 적층 재료(적층판)의 주파수 및 온도 의존적 ​​기계적 특성을 테스트했습니다.

그녀는 또한 간단하지만 의미 있는 실제 테스트를 사용했습니다. 그녀는 라미네이트 플레이트를 25cm 높이에서 테이블 위로 떨어뜨린 다음 동일한 크기의 순수 유리 플레이트와 음향 및 기계적 감쇠를 비교했습니다.

라미네이트는 탁월한 감쇠 특성과 함께 안정성도 나타냈습니다.테이블에 훨씬 더 조용한 충격을 가하고 튕기지 않았습니다.반면 순수한 유리는 탁자에 부딪혀 큰 소리를 내며 튕겨져 뒤집혔다."이 테스트를 사용하여 라미네이트가 진동 및 소음 감쇠에 탁월하다는 것을 보여줄 수 있었습니다."라고 Tsimouri는 말합니다.

시간이 많이 걸리는 시험

"넓은 범위의 온도에서 향상된 감쇠 성능을 갖는 고무 같은 폴리머를 생성하는 PDMS 폴리머의 혼합물을 찾은 후, 다음으로 가장 큰 어려움은 원하는 두께의 고무 같은 층을 만드는 것이었습니다."라고 그녀는 말합니다.

촉매를 첨가한 후 폴리머가 빠르게 반응하기 때문에 그녀는 용액을 유리나 실리콘 디스크에 적용하기 위한 특별한 공정을 개발해야 했습니다.레이어의 두께도 확인하는데 많은 시간을 들였습니다.이를 위해 그녀는 라미네이트의 단면을 제작하고 이를 주사전자현미경으로 검사해야 했습니다."이 작업은 시간이 많이 걸리는 작업이었습니다."라고 그녀는 회상합니다.

연구원들에 따르면, 라미네이트는 창유리와 기계 하우징부터 자동차 부품에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.고급 댐핑 재료에 대한 수요가 매우 높은 항공우주 및 센서 기술에 적용할 수 있습니다.연구진은 "댐핑 재료의 세계 시장은 거대하다"고 강조합니다.

라미네이트에는 또 다른 장점이 있습니다. 사용된 폴리머는 내열성이 있으며 감쇠 특성의 변화 없이 광범위한 온도를 견딜 수 있습니다.폴리머는 -125°C 이하에서는 유리처럼 변하고 감쇠 능력을 잃습니다.

궁극적으로 이러한 라미네이트는 지속 가능하고 자원을 보존할 수도 있습니다.유리와 실리콘은 쉽게 재활용할 수 있습니다.녹였을 때 소량의중합체분해 될 것이다유리재활용 과정에 영향을 미치지 않습니다.

Caseri는 이 기술이 쉽게 확장 가능하다고 믿습니다."적절한 기계를 갖춘 제조업체는 수 평방미터 크기의 패널로 라미네이트를 생산할 수도 있습니다. 제조 공정은 그다지 복잡하지 않습니다."

추가 정보:요안나 Ch.Tsimouri et al, 서브미크론 점탄성 중간층과 강성과 감쇠의 색다른 조합을 갖춘 경량 실리콘 및 유리 복합재,복합재 파트 B: 엔지니어링(2024).DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111717