新型材料兼具强度、刚性和声音阻尼特性

摘要:

橡胶板和发泡材料等减震消音材料往往又厚又大又软。 然而,有一种新型材料却不同,它既能吸收振动,又能保持坚硬和轻薄。通常情况下,如果要建造一个既坚固耐用又能吸收振动的结构,就必须将承重刚性材料与较软的物质结合起来。 另一种方法是在结构上安装机械减震器。无论哪种情况,成品都会比仅使用刚性材料的产品更重、更笨重、更昂贵。 这就是新型复合材料的用武之地。

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一种玻璃基材料(重量与普通玻璃相同)的样品被投掷到地面上进行测试

这种材料由苏黎世联邦理工学院研究机构的 Ioanna Tsimouri、Andrei Gusev 和 Walter Caseri 开发,它由超薄的刚性材料叠层和更薄的弹性聚合物层连接而成。 更具体地说,最初的原型由 0.2 至 0.3 毫米厚的玻璃板和几百纳米厚的 PDMS(聚二甲基硅氧烷)硅胶层组成。

这一比例非常重要,因为计算机模型显示,为了达到理想的性能,复合材料中至少要有 99% 的硬质材料(按体积计算)和小于 1% 的聚合物。领导这项研究的 Tsimouri 说:"如果聚合物层太薄,阻尼效果就很小。如果太厚,材料就不够坚硬"。

这种材料的样品经受住了标准的三点弯曲强度测试,同时在-125 ºC(-193 ºF)的温度下也表现出卓越的阻尼性能。

在展示这种复合材料特性的过程中(可在下面的视频中看到),将这种材料的薄片和标准玻璃片从 25 厘米(9.8 英寸)的高度掉落到桌面上。 玻璃反弹到空中,发出巨大的咔嗒声,而复合材料没有反弹,发出的声音很低沉。

这项技术得到进一步开发后,其不同版本就可以应用于窗户、机器外壳、汽车零件甚至航空航天部件等领域。 此外,由于少量的 PDMS 在熔化后会分解成玻璃,因此目前基于玻璃的复合材料可以完全回收利用。

有关这项研究的论文最近发表在Composites Part B: Engineering杂志上。

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