Ein Schichtmaterial stoppt Vibrationen und Lärm

Ein Kompressor brummt, eine Klimaanlage scheppert, das Fahrgestell eines Eisenbahnwagons rattert und sch¨¹ttelt die Fahrg?ste durch: Vibrationen sind nicht nur nervig, sie k?nnen auch sch?dlich sein. Sie zerst?ren auf die Dauer Material und Maschinen und verk¨¹rzen deren Lebensdauer. Zudem sch?digt der durch die Schwingungen erzeugte L?rm die Gesundheit.

Ingenieur:innen verbauen deshalb in vielen technischen Anwendungen d?mpfende Materialien wie Sch?ume, Gummis oder mechanische Elemente wie Federn oder Stossd?mpfer, um Vibrationen und L?rm zu unterdr¨¹cken. Das macht Maschinen oder Ger?te allerdings volumin?ser, schwerer und teurer. Dar¨¹ber hinaus ist es nicht immer m?glich, mit nachtr?glich angebrachten D?mpfungselementen Vibrationen wirksam zu unterdr¨¹cken.

Weltweit besteht deshalb eine hohe Nachfrage nach Materialien, die steif und tragend sind, aber auch eine hohe D?mpfung erzielen. Einen solches Material zu entwickeln, ist nicht einfach, da sich die beiden Eigenschaften gegenseitig ausschliessen.

ETH-Materialforschende haben nun aber ein Material entwickelt, das das vermeintlich Unvereinbare auf sich vereint. Gelungen ist das Kunstst¨¹ck Ioanna Tsimouri in ihrer Doktorarbeit bei Andrei Gusev und Walter Caseri, beides Professoren am Departement Materialwissenschaft. Sie hat Werkstoffe geschaffen, die aus mehreren Lagen eines steifen Materials bestehen, die durch ultrad¨¹nne gummiartige Polymerschichten miteinander verbunden sind.

F¨¹r ihre ersten Prototypen verwendete Tsimouri Glas- und Siliziumplatten von lediglich 0,2 bis 0,3 Millimeter Dicke. Die gummiartigen Polymerschichten zwischen den Platten messen sogar nur wenige hundert Nanometer. Tests haben aufgezeigt, dass diese neuen Verbundmaterialien tats?chlich die erhofften Eigenschaften aufweisen.

Die Forschenden haben ihre Erfindung im Fr¨¹hsommer dieses Jahres zum Patent angemeldet und nun in der Fachzeitschrift externe Seite Composites Part B: Engineering ver?ffentlicht.

Theoretisch hergeleitet

Zuerst berechnete Tsimouri zusammen mit dem Materialphysiker Gusev mithilfe von Computermodellen, wie dick die verbindenden Polymerschichten sein m¨¹ssen, damit das Verbundmaterial gleichzeitig sehr steif und stark d?mpfend ist.

Diese Berechnungen zeigten ihr, dass die gew¨¹nschten Materialeigenschaften nur dann erreicht werden, wenn die Schichtdicken in einem bestimmten Verh?ltnis zueinanderstehen. So m¨¹ssen die d?mpfenden Polymerschichten weniger als ein Prozent des gesamten Materialvolumens ausmachen, die steifen Glas- oder Siliziumschichten dagegen mindestens 99 Prozent. ?Ist die Polymerschicht zu d¨¹nn, gibt es kaum D?mpfungseffekte. Ist sie zu dick, ist das Material nicht steif genug?, erkl?rt Tsimouri.

Im Labor umgesetzt

Im n?chsten Schritt ¨¹berpr¨¹fte sie gemeinsam mit Caseri die Berechnungen experimentell und stellte im Labor mehrere Varianten des Verbundmaterials her.

Als Material f¨¹r die steifen Schichten ihres Prototyps verwendete die Forscherin unter anderem Glas, wie es f¨¹r Smartphone-Bildschirme genutzt wird. Das gummiartige Polymer besteht aus einer Mischung handels¨¹blicher Polymere auf der Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS), die chemisch reaktive Stellen enthalten. Nach der Zugabe eines Katalysators verbinden sich diese Stellen und bilden ein Polymernetzwerk, das die steifen Platten wie eine Zweikomponentendichtung verbindet.

Schliesslich testeten die Materialforschenden in Zusammenarbeit mit Peter Hine von der Universit?t Leeds die Schichtmaterialien auf ihre mechanischen Eigenschaften, die frequenz- und temperaturabh?ngig sind. Zum Einsatz kam ein spezieller Beugungstest. Tsimouri pr¨¹fte ihre Produkte zudem mit einem einfachen, aber aussagekr?ftigen praktischen Test: Sie liess die Laminatplatten aus 25 Zentimetern H?he auf eine Tischplatte fallen und verglich die akustische und mechanische D?mpfung mit derjenigen einer gleich grossen Platte aus reinem Glas.

Dabei bewies das Laminat seine hervorragenden d?mpfenden Eigenschaften, aber auch seine Stabilit?t. Das Aufschlagen auf der Tischplatte war viel leiser. Zudem sprang es nicht auf. Reines Glas hingegen erzeugte beim Aufschlagen auf der Tischplatte einen lauten Knall, sprang auf und ¨¹berschlug sich. ?Mit diesem Test konnte ich zeigen, dass das Laminat Schwingungen und L?rm hervorragend d?mpft?, sagt Tsimouri.

Hauchd¨¹nne Polymerschicht als H¨¹rde

?Eine grosse Schwierigkeit war, eine Mischung von PDMS-Polymeren zu finden, die ein gummiartiges Polymer mit verbesserten D?mpfungseigenschaften in einem breiten Temperaturbereich ergibt. Auch die Polymerschicht in der gew¨¹nschten Dicke zu erzeugen, war schwierig?, erkl?rt sie weiter. Da die Polymere nach Zugabe des Katalysators sehr schnell reagieren, musste sie ein spezielles Verfahren entwickeln, um die L?sungen auf die Glas- respektive Siliziumpl?ttchen aufzutragen. Viel Zeit habe sie auch daf¨¹r gebraucht, die Dicke der Schichten zu pr¨¹fen. Daf¨¹r musste sie Querschnitte des Laminats herstellen und mit einem Elektronenmikroskop untersuchen. ?Das war enorm aufw?ndig?, erinnert sie sich.

Breite Anwendungen m?glich

Das Laminat k?nnte laut den Forschenden in vielen Anwendungen zum Zuge kommen, angefangen bei Fensterglas, Maschinengeh?usen oder in Autoteilen. Es k?nnte verwendet werden von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Sensorik, wo vibrationsfreie Materialien sehr gefragt sind. ?Der Weltmarkt f¨¹r d?mpfende Materialien ist riesig?, betonen die Forschenden.

Zudem hat das Schichtmaterial einen weiteren Vorzug: Das bindende und d?mpfend wirkende Polymer h?lt eine grosse Spannbreite an Temperaturen aus, ohne dass sich seine d?mpfenden Eigenschaften ver?ndern. Erst unterhalb einer Temperatur von -125 Grad Celsius wird das Polymer glasig und verliert seine D?mpfungskapazit?t.

Nicht zuletzt w?re ein solches Laminat auch nachhaltig und ressourcenschonend. Wenn man Materialien mit ?eingebauter? D?mpfung verwendet, braucht man kein zus?tzliches D?mpfungsmaterial. Zudem k?nnen Glas und Silizium leicht recycelt werden. Beim Einschmelzen w¨¹rden kleinere Mengen des Polymers zu Glas zerfallen und den Recyclingprozess nicht beeintr?chtigen.

Caseri h?lt die Technologie f¨¹r gut skalierbar. ?Wenn ein Hersteller ¨¹ber entsprechende Maschinen verf¨¹gt, kann er das Laminat auch in mehrere Quadratmeter grossen Paneelen herstellen.?