压缩机发出嗡嗡声，空调系统发出嘎嘎声，火车车厢底盘发出嘎嘎声，给乘客带来回响。振动不仅令人烦恼，而且还可能有害。从长远来看，它们会损坏材料和机器并缩短其使用寿命。更重要的是，振动产生的噪音对人体健康有害。

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形式的机械元件。然而，这通常会使这些应用变得更庞大、更重且更昂贵。此外，使用改装的阻尼元件并不总是能够有效地抑制振动。

这就是全球范围内对刚性、承重和具有有效内部阻尼能力的材料的高需求的原因。然而，创造这种材料并不容易，因为这两种特性通常是相互排斥的。

ETH 材料研究人员现已开发出一种材料，它结合了这些被认为不相容的特性。Ioanna Tsimouri 在材料系教授 Andrei Gusev 和 Walter Caseri 的帮助下在她的博士论文中实现了这一壮举。

她的工作创造了一种材料，该材料由多层硬质材料组成，这些硬质材料层通过交联聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物形成的超薄橡胶层连接起来。

第一个原型涉及使用硅和玻璃板它们的厚度为 0.2-0.3 毫米，由厚度仅为几百纳米的橡胶状层连接。各种测试表明，这些新型复合材料确实具有研究人员所希望的性能。

研究人员在今年初夏为他们的发明申请了专利，现在已经发表它在日记里复合材料 B 部分：工程。

理论上推导出来

研究人员与材料物理学家古谢夫合作，首先使用计算机模型来计算连接类橡胶层必须有多厚，才能同时实现复合材料的高刚度和阻尼。

这些计算表明，层厚度必须是特定的比率才能显示所需的材料特性。根据计算，阻尼聚合物层需要占总材料体积的不到1%，而刚性玻璃或硅层则需要占至少99%。“如果聚合物层太薄了。如果太厚，材料就不够坚硬，”Tsimouri 解释道。

在实验室实施

接下来，她和卡塞里通过实验验证了计算结果，并在实验室中生产了复合材料的几种变体。

Tsimouri 用于刚性层的材料包括智能手机中使用的玻璃类型。该聚合物是使用含有化学反应位点的市售基于 PDMS 的聚合物的混合物获得的。当添加催化剂时，这些位点结合形成聚合物网络，即类似橡胶的聚合物，像双组分密封一样连接刚性板。

在英国同事 Peter Hine 的帮助下，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）的频率和温度相关的机械性能。

她还使用了一个简单但有意义的实际测试：她将层压板从 25 厘米的高度跌落到桌子上，并将声学和机械阻尼与相同尺寸的纯玻璃板进行比较。

该层压板具有出色的阻尼性能和稳定性。它对桌子的影响要小得多，并且不会反弹。而纯净的玻璃，却撞到了桌子上，发出一声巨响，弹了起来，翻了个底朝天。“通过这项测试，我能够证明层压板在减震和噪音方面表现出色，”Tsimouri 说。

考试耗时

她说：“在找到一种PDMS聚合物的混合物后，这种混合物可以在很宽的温度范围内产生具有增强阻尼性能的类橡胶聚合物，下一个最大的困难是创建所需厚度的类橡胶层。”

由于添加催化剂后聚合物会迅速反应，因此她必须开发一种特殊的工艺，将溶液应用到玻璃或硅盘上。她还花了很多时间检查各层的厚度。为此，她必须制作层压板的横截面并在扫描电子显微镜下检查它们。“这非常耗时，”她回忆道。

研究人员表示，这种层压板可用于多种应用——从窗玻璃、机器外壳到汽车零部件。它可以应用于航空航天和传感器技术，这些领域对先进阻尼材料的需求非常大。“阻尼材料的全球市场巨大，”研究人员强调。

该层压板还有另一个优点：所使用的聚合物具有耐温性，可以承受很宽的温度范围，而其阻尼性能不会发生任何变化。聚合物只有在-125℃以下的温度下才会变成玻璃状并失去阻尼能力。

最终，这种层压板也将是可持续的并节省资源。玻璃和硅可以轻松回收。当熔化时，少量聚合物会分解为玻璃且不影响回收过程。

卡塞里相信该技术很容易扩展。“拥有合适机器的制造商也可以生产几平方米尺寸的层压板。制造过程并不复杂。”

更多信息：约安娜·Ch.Tsimouri 等人，具有亚微米粘弹性夹层以及非常规的刚度和阻尼组合的轻质硅和玻璃复合材料，复合材料 B 部分：工程（2024）。DOI：10.1016/j.compositesb.2024.111717