Kompresor bruji, klima sistem zvecka, šasija železničkog vagona zvecka, šaljući odjek među putnicima. Vibracije ne samo da su dosadne, već mogu biti i štetne. Dugoročno, oni mogu uništiti materijale i mašine i skratiti njihov radni vek. Štaviše, buka koju stvaraju vibracije je štetna za ljudsko zdravlje i dobrobit.
Da bi ublažili vibracije i buku, inženjeri koriste materijale za prigušivanje kao što su pene, gume i mehanički elementi u obliku opruga ili amortizera u mnogim tehničkim primenama. Međutim, ovo često čini ove aplikacije glomaznijim, težim i skupljim. Štaviše, nije uvek moguće efikasno suzbiti vibracije korišćenjem naknadno ugrađenih prigušnih elemenata.
Ovo je razlog velike potražnje širom sveta za materijalima koji su kruti, nosivi i imaju efektivnu sposobnost unutrašnjeg prigušenja. Međutim, stvaranje takvog materijala nije lako, pošto se ta dva svojstva obično međusobno isključuju.
Istraživači ETH materijala su sada razvili materijal koji kombinuje ova navodno nekompatibilna svojstva. Joanna Cimouri je postigla ovaj podvig u svojoj doktorskoj tezi uz asistenciju Andreja Guseva i Valtera Caserija, oba profesora na Katedri za materijale.
Njen rad je doveo do stvaranja materijala koji se sastoje od slojeva krutih materijala povezanih ultra tankim slojevima nalik gumi formiranim umrežavanjem mešavine polidimetilsiloksana (PDMS).
Prvi prototipovi uključivali su upotrebu silicijumskih i staklenih ploča debljine 0,2–0,3 mm povezane slojevima nalik gumi debljine svega nekoliko stotina nanometara. Različiti testovi su otkrili da ovi novi kompozitni materijali zaista imaju svojstva kojima su se istraživači nadali.
Istraživači su patentirali svoj pronalazak početkom leta ove godine i sada su ga objavili u časopisu Composites Part B: Engineering.
Radeći sa fizičarom materijala Gusevim, istraživač je prvo koristio kompjuterske modele da bi izračunao koliko debeli slojevi nalik na gumu moraju biti povezani da bi se istovremeno postigla visoka krutost i prigušenje kompozitnog materijala.
Ovi proračuni su otkrili da debljina sloja mora biti specifičan odnos da bi se prikazala željena svojstva materijala. Prema proračunima, prigušni polimerni slojevi treba da čine manje od 1% ukupne zapremine materijala, dok slojevi čvrstog stakla ili silikona treba da čine najmanje 99%. „Postoji vrlo mali efekat prigušenja ako je sloj polimera suviše tanak. Ako je previše debeo, materijal nije dovoljno čvrst“, objašnjava Cimouri.
U sledećem koraku, ona i Caseri su eksperimentalno verifikovali proračune i proizveli nekoliko varijanti kompozitnog materijala u laboratoriji.
Materijal koji je Cimouri koristio za čvrste slojeve uključivao je staklo tipa koji se koristi u pametnim telefonima. Polimer se dobija korišćenjem mešavine komercijalno dostupnih polimera na bazi PDMS koji sadrže hemijski reaktivna mesta. Kada se doda katalizator, ova mesta se kombinuju i formiraju polimernu mrežu, odnosno polimer sličan gumi koji povezuje krute ploče kao dvokomponentno zaptivanje.
Uz pomoć saradnika iz Velike Britanije Pitera Hajna, istraživač materijala je nastavio sa testiranjem mehaničkih svojstava slojevitih materijala (laminata) zavisnih od frekvencije i temperature koristeći test savijanja u tri tačke.
Takođe je koristila jednostavan, ali smislen praktični test: spustila je laminatne ploče sa visine od 25 centimetara na sto i uporedila akustičko i mehaničko prigušivanje sa onim ploče iste veličine napravljene od čistog stakla.
Laminat je pokazao odlične karakteristike prigušenja, ali i stabilnost. Imao je mnogo tiši uticaj na sto i nije odskočio. Čisto staklo je, pak, sa glasnim treskom udarilo o sto, odbilo se i prevrnulo. „Koristeći ovaj test, uspeo sam da pokažem da je laminat odličan u prigušivanju vibracija i buke“, kaže Cimouri.
„Nakon pronalaženja mešavine PDMS polimera koja rezultira polimerom nalik gumi sa poboljšanim performansama prigušenja u širokom rasponu temperatura, sledeća najveća poteškoća bila je stvaranje sloja nalik gumi u željenoj debljini“, kaže ona.
Pošto polimeri brzo reaguju nakon dodavanja katalizatora, morala je da razvije poseban proces za nanošenje rastvora na staklene ili silikonske diskove. Takođe je provela dosta vremena proveravajući debljinu slojeva. Da bi to uradila, morala je da napravi poprečne preseke laminata i da ih pregleda pod skenirajućim elektronskim mikroskopom. „Ovo je oduzimalo mnogo vremena“, priseća se ona.
Prema istraživačima, laminat bi se mogao koristiti u mnogim aplikacijama – od stakla za prozore i kućišta mašina do delova automobila. Mogao bi da nađe primenu u vazduhoplovstvu i tehnologiji senzora, gde su napredni materijali za prigušivanje veoma traženi. „Globalno tržište materijala za prigušivanje je ogromno“, naglašavaju istraživači.
Laminat ima još jednu prednost: korišćeni polimer je otporan na temperaturu i može izdržati širok raspon temperatura bez ikakvih promena u svojstvima prigušenja. Polimer postaje samo staklast i gubi svoj kapacitet prigušenja ispod temperature od -125°C.
Na kraju, takav laminat bi takođe bio održiv i štedio resurse. Staklo i silicijum se mogu lako reciklirati. Kada se rastopi, male količine polimera bi se razložile u staklo i ne bi uticale na proces reciklaže.
Caseri veruje da je tehnologija lako skalabilna. „Proizvođači sa odgovarajućim mašinama mogu da proizvode laminat i u panelima od nekoliko kvadratnih metara. Proces proizvodnje nije toliko komplikovan.“
