多功能仿生超材料聲-力性能高效設(shè)計(jì)及調(diào)控方法
在航空航天,、軌道交通,、建筑制造等眾多工程領(lǐng)域，噪聲和沖擊危害無(wú)處不在,，迫切需要能夠同時(shí)吸收聲音和應(yīng)力波能量的材料,。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，香港大學(xué)陸洋教授,、中南大學(xué)王中鋼教授和香港理工大學(xué)余翔助理教授合作開(kāi)展研究,，以烏賊骨為靈感，通過(guò)弱耦合設(shè)計(jì),，提出了具有的吸聲和機(jī)械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料,。該超材料通過(guò)選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造，使用高強(qiáng)度Ti6Al4V合金,。Ti6Al4V合金提供了高強(qiáng)度、耐腐蝕性和高溫性能,，有助于穩(wěn)定的吸聲,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提超材料實(shí)現(xiàn)了緊湊尺寸下寬帶高效吸聲(1.0至6.0 kHz平均吸聲系數(shù)0.8)，且其非線性曲壁特征引導(dǎo)了塑性段穩(wěn)定漸進(jìn)變形而非直壁構(gòu)型的大面積解體破壞,，較大程度提升了塑變吸能能力,。該研究成果以"Unprecedented mechanical wave energy absorption observed in multifunctional bioinspired architected metamaterials"為題，發(fā)表在期刊NPG Asia Materials上,。
一,、研究背景
在實(shí)際工程中，噪聲和沖擊波的危害普遍存在，這促使人們尋求能夠同時(shí)吸收聲波和應(yīng)力波能量的材料,。作者指出,，設(shè)計(jì)這種多功能材料是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰瑫r(shí)優(yōu)化材料的吸聲和機(jī)械性能,。例如,，在航空航天工程中，吸聲襯墊不僅要減少噪音,，還要能夠承受潛在的局部沖擊,。
為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)始探索模仿自然界生物結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料設(shè)計(jì),。增材制造技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了生物啟發(fā)型超材料的興起,，這類材料具有的屬性，通常在自然界中找不到,。在過(guò)去的幾十年中,，研究人員一直致力于提高傳統(tǒng)材料如穿孔板、泡沫和織物的吸聲效率,，開(kāi)發(fā)了多種新型吸聲超材料和先進(jìn)的多孔材料,，如氣凝膠和石墨烯泡沫。
然而,，研究人員面臨著在高強(qiáng)度和寬帶吸聲之間找到平衡的難題。文章提出,，為了實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)械波能量吸收材料,，需要一種新的設(shè)計(jì)方法。這種方法靈感來(lái)源于烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu),，它具有固有的強(qiáng)度,、韌性和可適應(yīng)的細(xì)胞特征。烏賊骨的“墻-隔板"結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁的不對(duì)稱彎曲模式為設(shè)計(jì)吸聲器提供了潛力,，并且在力學(xué)中很重要,。
文章介紹了通過(guò)選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs），這種材料使用高強(qiáng)度的Ti6Al4V合金,。這些超材料在實(shí)驗(yàn)中顯示出了優(yōu)異的吸聲性能,，平均吸聲系數(shù)為0.80，且在21毫米的緊湊厚度下,，77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過(guò)了0.75的閾值,。此外，這些超材料還展現(xiàn)出了機(jī)械性能,，包括高模量,、高強(qiáng)度和超高的比能量吸收。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)具有理想聲學(xué)和機(jī)械性能的多功能材料提供了新的視角。
二,、設(shè)計(jì)原則
研究介紹了如何從烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu)中汲取靈感,，設(shè)計(jì)出具有吸聲和機(jī)械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）。
1.自然微觀特征：
烏賊骨的“墻-隔板"微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）揭示,，展示了其堅(jiān)固的多室結(jié)構(gòu)和波動(dòng)的細(xì)胞壁,。
烏賊骨細(xì)胞壁的非線性彎曲特征被特別強(qiáng)調(diào)，這種特征在以往的研究中常被忽視,，但對(duì)于力學(xué)性能至關(guān)重要,。
2.異質(zhì)吸聲材料：
設(shè)計(jì)了三層級(jí)聯(lián)的共振板，并在其中引入了耗散孔,，以提高吸聲效率,。
基于級(jí)聯(lián)共振的概念，設(shè)計(jì)了異質(zhì)結(jié)構(gòu),，將超材料分為兩個(gè)并行部分（Part 1和Part2）,，每個(gè)部分都包含三個(gè)串聯(lián)電路，形成了多模態(tài)混合共振系統(tǒng),。
3.彎曲細(xì)胞壁：
細(xì)胞壁的設(shè)計(jì)模仿了烏賊骨的自然曲率,，并且結(jié)合了水平方向的正弦波模式，以增強(qiáng)吸聲性能,。
不同的彎曲級(jí)別（如直線墻和不同的A0值）被用來(lái)研究其對(duì)材料性能的影響,。
4.弱耦合設(shè)計(jì)方法：
提出了一種“弱耦合"設(shè)計(jì)方法，允許聲學(xué)和機(jī)械單元幾乎獨(dú)立設(shè)計(jì),，從而實(shí)現(xiàn)高度定制化的聲音和應(yīng)力波能量吸收性能,。
這種設(shè)計(jì)方法使得吸聲性能由共振板的幾何形狀和排列模式控制，而對(duì)軸向機(jī)械性能影響不大,；反之,，細(xì)胞壁的形狀決定了應(yīng)力波能量吸收，但對(duì)吸聲性能影響甚微,。
圖1 多功能仿生聲-力超材料設(shè)計(jì)方法
Ai：描述了烏賊骨在烏賊體內(nèi)的位置,，指出“S"方向是從背側(cè)指向腹側(cè)。
Aii：提到了烏賊骨的一個(gè)廣泛研究的微觀結(jié)構(gòu)特征,，即具有水平波動(dòng)墻的多層墻-隔板結(jié)構(gòu),，并注明了版權(quán)信息。
Bi：展示了烏賊骨側(cè)面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像,，顯示了細(xì)胞壁從底部到頂部的生長(zhǎng)情況,。
Bii：重建了細(xì)胞壁的輪廓,，進(jìn)一步揭示了細(xì)胞壁的彎曲模式,。
Biii：描述了根據(jù)公式（1）計(jì)算的細(xì)胞壁長(zhǎng)度與高度之間的關(guān)系，這個(gè)公式數(shù)學(xué)上表征了細(xì)胞壁長(zhǎng)度的非線性增加。
Ci：介紹了受多層墻-隔板微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的級(jí)聯(lián)共振板設(shè)計(jì),，并引入了耗散孔,。
Cii：基于級(jí)聯(lián)共振的異質(zhì)設(shè)計(jì)，將超材料分為兩個(gè)并行部分（第1部分和第2部分）,。
Ciii：展示了單元格的空氣相,，其幾何形狀由固態(tài)細(xì)胞壁控制。
Di：提供了超材料和彎曲細(xì)胞壁的示意圖,。
Dii：展示了具有四個(gè)彎曲級(jí)別的細(xì)胞壁形態(tài)：直線墻和A0 = 0.5,、1.0和1.5。
E：描述了弱耦合設(shè)計(jì)方法：對(duì)于吸收聲波能量重要的元素/單元,，但對(duì)于吸收應(yīng)力波能量可以忽略不計(jì),，反之亦然。
第三章：材料制備方法
1.樣品制造：
使用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù),，以Ti6Al4V合金為材料進(jìn)行加工,。
激光功率設(shè)置為500W，打印層厚度為60微米,，掃描速度為1200毫米/秒,。
去除殘留的粉末，材料從基板上切割下來(lái),。
2.材料參數(shù)測(cè)定：
在Instron 8501設(shè)備上進(jìn)行拉伸測(cè)試,，以確定材料參數(shù)。
得到的材料參數(shù)包括彈性模量Es,、初始屈服強(qiáng)度σ0,、泊松比ν和密度ρs。
3.吸聲測(cè)量：
使用標(biāo)準(zhǔn)雙麥克風(fēng)設(shè)置（SKCZT13）,，遵循ISO10534-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量,。
樣品直徑為30毫米，固定在樣品架上,。
測(cè)試頻率范圍從0.8 kHz到6.3kHz,。
4.機(jī)械性能測(cè)量：
使用Shimadzu AG25-TB萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。
樣品以0.002 s–1的應(yīng)變率進(jìn)行軸向準(zhǔn)靜態(tài)加載,。
壓縮方向與SLM構(gòu)建方向平行的一對(duì)面對(duì)齊,。
使用數(shù)字相機(jī)記錄變形模式。
5.有限元方法（FEM）：
開(kāi)發(fā)有限元（FE）模型,，使用COMSOL Multiphysics軟件,。
對(duì)于吸聲特性，使用熱粘性聲學(xué)模塊,，并結(jié)合邊界層理論,。
對(duì)于壓縮模型,，模擬多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的塑性大應(yīng)變變形。
通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,。
圖2 超材料樣件及實(shí)驗(yàn)測(cè)試吸聲性能
第四章 結(jié)果和討論
1.超常,、寬帶、高效的吸聲性能：
MBAMs展示了聲音吸收能力,，其平均吸聲系數(shù)α在1.0至6.0kHz的頻率范圍內(nèi)超過(guò)0.77,，最高平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.80，77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過(guò)了0.75的閾值,。
盡管厚度僅有21毫米,，MBAMs的吸聲性能卻遠(yuǎn)超一般趨勢(shì)，表明了其在吸聲效率上的顯著優(yōu)勢(shì),。
2.物理機(jī)制：
MBAMs由兩個(gè)并行的共振系統(tǒng)組成,，每個(gè)系統(tǒng)都包含三個(gè)級(jí)聯(lián)的共振單元。這些共振單元對(duì)整體設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)在于它們提供了不同的表面阻抗,，從而增強(qiáng)了吸聲性能,。
通過(guò)耦合模式理論，分析了共振器的反射系數(shù),，揭示了在“臨界耦合"條件下,，即輻射衰減率等于內(nèi)在損耗率時(shí)，實(shí)現(xiàn)了吸聲,。
3.剛度,、強(qiáng)度、損傷容限和能量吸收：
通過(guò)軸向壓縮測(cè)試,，研究了MBAMs的機(jī)械響應(yīng),。結(jié)果顯示，隨著細(xì)胞壁彎曲級(jí)別的增加,，材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出更溫和的軌跡,，有效減輕了嚴(yán)重故障。
MBAMs在A0 =1.0時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的比能量吸收（SEA）,，達(dá)到了50.7J/g,，比直線墻設(shè)計(jì)提高了558.4%。
4.變形和增強(qiáng)機(jī)制：
通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元方法（FEM）分析了MBAMs在不同壓縮應(yīng)變下的變形模式,，發(fā)現(xiàn)MBAMs能夠從災(zāi)難性故障轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕膿p傷容限逐層變形模式,。
應(yīng)力分布集中在最大曲率區(qū)域，這有助于定向應(yīng)力傳播,，提高有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移,，并促進(jìn)墻體間的相互作用，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,。
5.研究框架和前景：
提出了一個(gè)研究框架,，用于設(shè)計(jì)具有聲學(xué)和機(jī)械性能的多功能超材料,，包括弱耦合和強(qiáng)耦合兩種設(shè)計(jì)方法。
討論了未來(lái)值得探索的領(lǐng)域,，如新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和功能,，以及這些多功能材料在建筑和運(yùn)輸行業(yè)中的實(shí)際潛力,。
圖3 吸聲頻譜特征及物理機(jī)制
開(kāi)展單軸準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同彎曲幅值下的超材料樣件塑變吸能行為差異,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比分析可知（圖4A）,，即使等效密度相同，該超材料單元的垂向曲率對(duì)其宏觀力學(xué)性能也影響極大,，這不僅體現(xiàn)在實(shí)測(cè)所得關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)上（圖4B）,，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)率差異也尤為明顯（圖4C）。這表明,，豎直胞壁存在應(yīng)力陡降行為（接近0）,，這源于其塑性階段的大面積解體破壞；而對(duì)于文中所設(shè)計(jì)的曲壁超材料,，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動(dòng)小,、塑性變形更為穩(wěn)定；此外,，文中繪制了密度-剛度,、密度-強(qiáng)度、等效密度-比吸能圖,，用于評(píng)估所提超材料的實(shí)驗(yàn)所測(cè)力學(xué)性能（圖4Di-Diii）,，結(jié)果表明其各項(xiàng)性能表現(xiàn)較優(yōu)。
圖4 單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得超材料力學(xué)性能
文中對(duì)比了實(shí)驗(yàn)與模擬所得直壁,、一組代表性曲壁構(gòu)型的塑性變形模式（圖5A）,，分析了軸向局部曲度特征帶來(lái)的機(jī)械魯棒性提升行為，驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型準(zhǔn)確性（圖5B）,，并進(jìn)一步通過(guò)應(yīng)力,、等效塑性應(yīng)變,、拉-壓應(yīng)力分布特征闡述了所提超材料的大變形抗損傷增強(qiáng)機(jī)制（圖5Ci-Cii）,；基于實(shí)驗(yàn)與模擬所得變形模式,，圖5Ciii通過(guò)胞元尺度的變形示意圖闡述了該超材料的宏觀性能增強(qiáng)機(jī)制：在達(dá)到屈服點(diǎn)后，曲壁胞元產(chǎn)生較緩和的局部撕裂破壞,，其坍塌部分單元能一定程度提供載荷支撐與有效應(yīng)力傳遞，隨著載荷持續(xù)增加,，已坍塌和未坍塌胞元間的接觸與支撐作用進(jìn)一步增強(qiáng),，宏觀上呈現(xiàn)為溫和型漸進(jìn)破壞模式,。
圖5 力學(xué)響應(yīng)與變形機(jī)制
第五章：結(jié)論
作者總結(jié)了他們的研究發(fā)現(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)了所提出的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）的重要性和潛在應(yīng)用,。
1.創(chuàng)新材料介紹：
研究介紹了一類新型的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）,，這些材料以烏賊骨微觀結(jié)構(gòu)為靈感，采用弱耦合設(shè)計(jì)方法,。
2.聲學(xué)性能：
MBAMs在1.0至6.0 kHz的寬頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)出了的吸聲性能,，平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.80，且有77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過(guò)了0.75,，這在僅有21毫米厚度的材料中是非常顯著的。
3.物理機(jī)制：
通過(guò)異質(zhì)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合效應(yīng),，MBAMs實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)混合共振,，這是其吸聲性能的基礎(chǔ)。
4.機(jī)械性能：
除了優(yōu)異的吸聲性能,，MBAMs還展現(xiàn)出了超高強(qiáng)度,、高能量吸收和高損傷容限。這些材料在低密度（1.53 g/cm3）下具有平均模量4.93 GPa,、強(qiáng)度211MPa和比能量吸收50.7J/g,。
5.設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景：
這些多功能材料不僅在實(shí)驗(yàn)室中具有潛力，而且隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步,，它們有望被集成到各種大規(guī)模工程項(xiàng)目中,，特別是在建筑和運(yùn)輸行業(yè)。
6.研究框架：
作者提出了一個(gè)研究框架,，用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化聲學(xué)和機(jī)械性能的超材料,，這為未來(lái)的研究和開(kāi)發(fā)提供了方向。
圖6 聲-力多功能超材料研究框架
綜上所述,，MBAMs在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域架起了一個(gè)重要的橋梁,，它們不僅在理論上具有創(chuàng)新性，而且在實(shí)際應(yīng)用中也具有巨大的潛力,。這些超材料的設(shè)計(jì)和制造為解決實(shí)際工程中的噪聲和沖擊問(wèn)題提供了新的可能性,，并且它們的多功能性為未來(lái)的材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。
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