壓縮機發出嗡嗡聲，空調系統發出嘎嘎聲，火車車廂底盤發出嘎嘎聲，為乘客帶來迴響。振動不僅令人煩惱，而且可能有害。從長遠來看，它們會損壞材料和機器並縮短其使用壽命。更重要的是，振動產生的噪音對人體健康有害。

為了減輕振動和噪音，工程師在許多技術應用中使用泡沫、橡膠等阻尼材料以及彈簧或減震器形式的機械元件。然而，這通常會使這些應用變得更龐大、更重且更昂貴。此外，使用改裝的阻尼元件並不總是能夠有效地抑制振動。

這就是全球範圍內對剛性、承重和具有有效內部阻尼能力的材料的高需求的原因。然而，創造這種材料並不容易，因為這兩種特性通常是相互排斥的。

ETH 材料研究人員現在已開發出一種材料，它結合了這些被認為是不相容的特性。Ioanna Tsimouri 在材料系教授 Andrei Gusev 和 Walter Caseri 的幫助下在她的博士論文中實現了這一壯舉。

她的工作創造了一種材料，該材料由多層硬質材料組成，這些材料層通過交聯聚二甲基矽氧烷（PDMS）混合物形成的超薄橡膠層連接起來。

第一個原型涉及使用矽和玻璃板它們的厚度為 0.2-0.3 毫米，由厚度僅為數百奈米的橡膠狀層連接。各種測試表明，這些新型複合材料確實具有研究人員所希望的性能。

研究人員在今年初夏為他們的發明申請了專利，現在已經發表它在日記裡複合材料 B 部分：工程。

理論上推導出來

研究人員與材料物理學家古謝夫合作，首先使用電腦模型來計算連接類橡膠層必須有多厚，才能同時實現複合材料的高剛度和阻尼。

這些計算表明，層厚度必須是特定的比率才能顯示所需的材料特性。根據計算，阻尼聚合物層需要佔總材料體積的不到1%，而剛性玻璃或矽層則需要佔至少99%。「如果聚合物層太薄了。如果太厚，材料就不夠堅硬，」Tsimouri 解釋道。

在實驗室實施

接下來，她和卡塞里透過實驗驗證了計算結果，並在實驗室中生產了複合材料的幾種變體。

Tsimouri 用於剛性層的材料包括智慧型手機中使用的玻璃類型。該聚合物是使用含有化學反應位點的市售基於 PDMS 的聚合物的混合物獲得的。當添加催化劑時，這些位點結合形成聚合物網絡，即類似橡膠的聚合物，像雙組分密封一樣連接剛性板。

在英國同事 Peter Hine 的幫助下，材料研究人員繼續使用三點彎曲測試來測試分層材料（層壓板）的頻率和溫度相關的機械性能。

她還使用了一個簡單但有意義的實際測試：她將層壓板從 25 公分的高度跌落到桌子上，並將聲學和機械阻尼與相同尺寸的純玻璃板進行比較。

此層壓板具有出色的阻尼性能和穩定性。它對桌子的影響要小得多，並且不會反彈。而純淨的玻璃，卻撞到了桌子上，發出一聲巨響，彈了起來，翻了個底朝天。「透過這項測試，我能夠證明層壓板在減震和噪音方面表現出色，」Tsimouri 說。

考試耗時

她說：「在找到PDMS聚合物的混合物後，這種混合物可以在很寬的溫度範圍內產生具有增強阻尼性能的類橡膠聚合物，下一個最大的困難是創建所需厚度的類橡膠層。

由於添加催化劑後聚合物會迅速反應，因此她必須開發一種特殊的工藝，將溶液應用到玻璃或矽盤上。她也花了很多時間檢查各層的厚度。為此，她必須製作層壓板的橫截面並在掃描電子顯微鏡下檢查它們。「這非常耗時，」她回憶道。

研究人員表示，這種層壓板可用於多種應用——從窗玻璃、機器外殼到汽車零件。它可以應用於航空航天和感測器技術，這些領域對先進阻尼材料的需求非常大。「阻尼材料的全球市場龐大，」研究人員強調。

此層壓板還有另一個優點：所使用的聚合物具有耐溫性，可以承受很寬的溫度範圍，而其阻尼性能不會發生任何變化。聚合物只有在-125℃以下的溫度下才會變成玻璃狀並失去阻尼能力。

最終，這種層壓板也將是可持續的並節省資源。玻璃和矽可以輕鬆回收。當熔化時，少量聚合物會分解為玻璃且不影響回收過程。

卡塞里相信該技術很容易擴展。“擁有合適機器的製造商也可以生產幾平方米尺寸的層壓板。製造過程並不復雜。”

更多資訊：約安娜·Ch.Tsimouri 等人，具有亞微米黏彈性夾層以及非常規的剛度和阻尼組合的輕質矽和玻璃複合材料，複合材料 B 部分：工程（2024）。DOI：10.1016/j.compositesb.2024.111717