Sarsıntıları ve Gürültüyü Durduran Kompozit Malzeme

Titreşimler ve gürültü, sürekli salınımlar makinelerde ve binalarda hasara yol açabilirken ortaya çıkan gürültü de insan sağlığını ve refahını olumsuz etkilediğinden, mühendislik ve inşaat alanlarında önemli zorluklar yaratıyor. Geleneksel olarak mühendisler, bu sorunları köpük, kauçuk ve mekanik darbe emiciler gibi sönümleme malzemeleri kullanarak azaltıyor. Ancak bu geleneksel çözümler, teknik uygulamaları çoğu zaman çok daha hacimli, ağır ve maliyetli hale getiriyor. Ayrıca rijit, yük taşıyabilen ve aynı zamanda etkili iç sönümleme sağlayabilen malzemeler bulmak son derece zor; çünkü rijitlik ve sönümleme genellikle birbirinin zıttı özellikler olarak kabul ediliyor. Bu küresel ihtiyaca yanıt olarak ETH Zürih’teki araştırmacılar, görünüşte birbiriyle uyumsuz bu özellikleri bir araya getiren çığır açıcı bir kompozit malzeme geliştirdi.

Araştırmacı Ioanna Tsimouri tarafından doktora tezi kapsamında geliştirilen bu yeni kompozitin temeli, kapsamlı bilgisayar modellemeleriyle belirlenen son derece özel bir yapısal bileşime dayanıyor. Malzeme, standart akıllı telefonlarda kullanılan cam veya silisyumdan üretilen kalın ve sert katmanların, çapraz bağlı polidimetilsiloksandan (PDMS) oluşan ultra ince, kauçuk benzeri ara katmanlarla birbirine bağlanmasından oluşuyor. Teorik hesaplamalar, rijitlik ve sönümleme arasında ideal bir dengeye ulaşmak için sert cam veya silisyumun toplam hacmin en az yüzde 99’unu oluşturması, polimer sönümleme katmanının ise yüzde 1’den az olması gerektiğini ortaya koydu. Polimer katman çok ince olduğunda sönümleme etkisi ortadan kalkarken, çok kalın olduğunda kompozit gerekli yapısal rijitliğini kaybediyor. Bu nedenle polimer ara katmanlarının yalnızca birkaç yüz nanometre kalınlığında olması gerekiyor.

Teorik hesaplamalardan laboratuvar uygulamasına geçiş, PDMS polimer karışımının katalizör eklendikten sonra çok hızlı reaksiyona girmesi nedeniyle özel ve son derece kontrollü bir üretim sürecinin geliştirilmesini gerektirdi. Tsimouri, kapsamlı mekanik testlere başlamadan önce bu nanometre ölçeğindeki katmanların kalınlığını taramalı elektron mikroskopları kullanarak titizlikle doğrulamak zorunda kaldı. Malzemenin frekans ve sıcaklığa bağlı özelliklerini değerlendirmek amacıyla ekip, üç noktalı eğme testlerinin yanı sıra pratik düşürme testleri gerçekleştirdi. Yeni laminat, 25 santimetre yükseklikten sert bir yüzeye bırakıldığında, zıplamadan ve düz bir şekilde, neredeyse sessiz biçimde yere inerek olağanüstü bir stabilite ve akustik sönümleme performansı gösterdi. Benzer boyuttaki saf cam parçası ise yüksek bir ses çıkararak düştü, yeniden sıçradı ve ters döndü.

Yük taşıyabilen ve titreşimleri sönümleyebilen bu laminatın başarılı bir şekilde geliştirilmesi, çeşitli endüstriyel uygulamaları kapsayan büyük bir küresel pazarın kapılarını aralıyor. Malzeme, pencere camları ve makine gövdeleri gibi günlük yapılara entegre edilebileceği gibi otomotiv, havacılık ve sensör teknolojileri sektörlerindeki özel bileşenlerde de kullanılabilir.

Akademik Referans / Journal Reference: Tsimouri IC, Caseri W, Hine PJ, Gusev AA. Lightweight silicon and glass composites with submicron viscoelastic interlayers and unconventional combinations of stiffness and damping. Composites Part B 284 (2024) 111717. Doi: external page10.1016/j.compositesb.2024.111717

Kaynak