진동과 소음을 차단하는 견고한 소재

압축기가 윙윙거리고, 에어컨 시스템이 덜거덕거리고, 철도 마차 섀시가 덜거덕거리며, 승객들에게 울림을 전달합니다. 진동은 성가실 뿐만 아니라 해로울 수도 있습니다. 장기적으로는 재료와 기계를 파괴하고 서비스 수명을 단축시킬 수 있습니다. 게다가 진동으로 인해 발생하는 소음은 인간의 건강과 웰빙에 해롭습니다.

진동과 소음을 완화하기 위해 엔지니어는 폼, 고무 및 스프링이나 충격 흡수 장치 형태의 기계적 요소와 같은 댐핑 재료를 많은 기술적 응용 분야에서 사용합니다. 그러나 이로 인해 이러한 응용 분야가 더 크고 무겁고 비쌉니다. 게다가 개조된 댐핑 요소를 사용하여 진동을 효과적으로 억제하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다.

이것이 견고하고 하중을 견디며 효과적인 내부 감쇠 기능을 갖춘 재료에 대한 전 세계적 수요가 높은 이유입니다. 그러나 이러한 재료를 만드는 것은 쉽지 않습니다. 두 가지 속성이 일반적으로 상호 배타적이기 때문입니다.

ETH 소재 연구자들은 이제 이러한 상충되는 특성을 결합한 소재를 개발했습니다. Ioanna Tsimouri는 재료학과 교수인 Andrei Gusev와 Walter Caseri의 도움을 받아 박사 학위 논문에서 이 업적을 달성했습니다. 그녀의 연구로 인해 폴리디메틸실록산(PDMS) 혼합물을 가교하여 형성된 초박형 고무와 같은 층으로 연결된 단단한 소재 층으로 구성된 소재가 탄생했습니다.

첫 번째 프로토타입은 두께가 0.2-0.3mm인 실리콘과 유리 판을 사용하여 두께가 수백 나노미터에 불과한 고무와 같은 층으로 연결했습니다. 다양한 테스트를 통해 이러한 새로운 복합 소재가 실제로 연구자들이 기대했던 특성을 가지고 있음이 밝혀졌습니다.

연구진은 올해 초여름에 이 발명품에 대한 특허를 받았고, 이제 이를 Composites Part B: Engineering 저널에 게재했습니다.

이론적으로 유도된

재료 물리학자 구세프와 협력하여 연구원은 먼저 컴퓨터 모델을 사용하여 복합 재료의 높은 강성과 감쇠를 동시에 달성하기 위해 연결하는 고무와 같은 층의 두께가 얼마나 되어야 하는지 계산했습니다.

이러한 계산은 원하는 재료 특성을 나타내기 위해 층 두께가 특정 비율이어야 한다는 것을 보여주었습니다. 계산에 따르면, 감쇠 폴리머 층은 전체 재료 부피의 1% 미만을 차지해야 하는 반면, 단단한 유리 또는 실리콘 층은 최소 99%를 차지해야 합니다. "폴리머 층이 너무 얇으면 감쇠 효과가 거의 없습니다. 너무 두꺼우면 재료가 충분히 단단하지 않습니다."라고 Tsimouri는 설명합니다.

실험실에서 구현

다음 단계에서 그녀와 카세리는 계산을 실험적으로 검증하고 실험실에서 복합 재료의 여러 변형을 제작했습니다.

Tsimouri가 단단한 층에 사용한 재료에는 스마트폰에 사용되는 유형의 유리가 포함되었습니다. 이 폴리머는 화학적 반응성 부위를 포함하는 상업적으로 이용 가능한 PDMS 기반 폴리머의 혼합물을 사용하여 얻습니다. 촉매를 첨가하면 이러한 부위가 결합하여 폴리머 네트워크, 즉 2성분 밀봉처럼 단단한 판을 연결하는 고무와 같은 폴리머를 형성합니다.

영국 동료 Peter Hine의 도움을 받아 재료 연구자는 3점 굽힘 시험을 사용하여 적층 재료(적층재)의 주파수 및 온도에 따른 기계적 특성을 테스트했습니다. 그녀는 또한 간단하지만 의미 있는 실제 테스트를 사용했습니다. 그녀는 적층판을 25cm 높이에서 테이블 위에 떨어뜨리고 음향 및 기계적 감쇠를 순수 유리로 만든 같은 크기의 판과 비교했습니다.

라미네이트는 뛰어난 감쇠 특성과 안정성을 보여주었습니다. 테이블에 훨씬 더 조용한 충격을 주었고 튀지 않았습니다. 반면 순수 유리는 큰 소리로 테이블에 부딪히고 튀고 뒤집혔습니다. "이 테스트를 통해 라미네이트가 진동과 소음을 감쇠하는 데 뛰어나다는 것을 보여줄 수 있었습니다."라고 Tsimouri는 말합니다.

연구자들에 따르면, 이 라미네이트는 창문 유리와 기계 하우징부터 자동차 부품까지 다양한 용도로 사용될 수 있습니다. 항공우주 및 센서 기술 분야에서도 응용될 수 있는데, 이 분야에서는 첨단 댐핑 재료에 대한 수요가 매우 높습니다. 연구자들은 "댐핑 재료의 글로벌 시장은 엄청납니다."라고 강조합니다.

적층판에는 또 다른 장점이 있습니다. 사용된 폴리머는 내열성이 있으며 감쇠 특성에 아무런 변화 없이 광범위한 온도를 견딜 수 있습니다. 폴리머는 유리질로 변하고 영하 125도 섭씨 이하의 온도에서는 감쇠 용량을 잃습니다.

궁극적으로, 이러한 라미네이트는 지속 가능하고 자원을 보존할 수 있습니다. 유리와 실리콘은 쉽게 재활용할 수 있습니다. 녹이면 소량의 폴리머가 유리로 분해되어 재활용 과정에 영향을 미치지 않습니다.

Caseri는 이 기술이 쉽게 확장 가능하다고 믿습니다. "적절한 기계를 갖춘 제조업체는 또한 수 제곱미터 크기의 패널로 라미네이트를 생산할 수 있습니다. 제조 공정은 그렇게 복잡하지 않습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241010124905.htm