智能压电声子晶体与超材料研究现状与展望

声子晶体与超材料作为一种人工设计的新型材料或结构,具有许多独特和超常的弹性波传播特性,为机械振动的有效控制与弹性波的精准调控提供了一个崭新的研究途径与充满希望的应用机遇.然而,由于传统的声子晶体与超材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性,大大限制了其实际应用.基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体与超材料,通过调节电场即可按需调控结构的振动或波动特性,可大大拓宽传统声子晶体与超材料的应用范围.本文依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式,试图将智能压电声子晶体与超材料大致分为三类:第一类为单一压电声子晶体与超材料,此类仅由单一的压电材料组成,可以外接电极也可以无外接电极;第二类为内嵌式压电/弹性复合材料型压电声子晶体与超材料,该类由压电散射体埋嵌在弹性基体中而构成,当然也可将压电材料与弹性基体的角色互换;第三类为由外贴式压电片与弹性结构组成的复合型压电声子晶体与超材料,此类将压电片外贴在弹性基体结构(杆、梁、板等)的表面.已有研究表明,相较于其他弹性波调控方式,基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体和超材料的主要优势体现在反应迅速,无须改变原有结构的固...     

基于晶格缺陷的谷极化三维弹性声子晶体的拓扑界面传播特性

晶格缺陷(包括旋错和位错等)广泛存在于各种材料,并呈现出优异的物理和力学性能.在经典波动体系,晶格缺陷态首先应用于二维光学系统,实现了晶格缺陷激发的谷极化界面态和束缚态.本文设计了一种三维弹性声子晶体,其单胞在第一布里渊区的K-H方向线性简并.打破单胞的镜像对称性,该三维弹性声子晶体沿第一布里渊区K-H方向的简并线打开而形成完全带隙,激发出谷极化量子霍尔效应.将晶格缺陷态引入具有谷极化量子霍尔效应的三维弹性声子晶体,晶格畸变导致单胞谷极化拓扑相反转而形成界面,实现了弹性波在三维弹性声子晶体的稳健界面传播.基于晶格缺陷的谷极化三维弹性声子晶体拓扑界面态的实现,突破了传统经典波动系统拓扑波导设计的局限性,为三维复杂拓扑波导器件设计提供了良好的技术支撑.     

地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

有限振幅超声横波在晶体中传播的非线性特性

理论和实验曾发现有限振幅横波在均匀各向同性固体中传播时不会产生2次谐波.而在各向异性的立方晶体中,也只当横波沿[111]传播时才会有2次谐波,此时还伴随有纵波的2次谐波同时产生.于是一般认为,横波实际上不存在具有非线性的纯模方向.因为在三阶弹性常数的测量中都倾向于选择纯模式方向,因此长期以来,人们就有意或无意地忽视了     

高弹性自修复材料的设计合成

自修复材料能够实现对自身裂纹的检测并自发地修复损伤,从而可以预防材料由于产生裂纹而存在的潜在破坏,延长材料的使用寿命.然而,常规自修复材料存在弹性与自修复性质无法兼容的问题.弹性好的材料通常不能自修复,而自修复性能好的材料弹性又不好.如何通过化学设计得到兼具高弹性和优良自修复性质的材料是自修复材料研究领域面临的一个挑战.本文主要总结了近几年高弹性自修复材料的设计合成及应用方面的研究进展,并对相关研究做进一步展望.     

共价晶体硬度计算的经验电子理论模型

共价电子分布对无机共价晶体的本征硬度具有决定性的作用. 以鲍林的共价键距公式及经验电子理论为基础, 构建了计算共价晶体硬度的新模型. 比较实验值及其他理论计算结果表明, 该模型可以有效地预测无机共价晶体的硬度. 经极化修正后的共价键能可以作为联系晶体电子结构和宏观硬度的一个内在标度. 对键能的简单数学处理就可将该模型拓展到多组元/多键络体系. 研究还发现共价键的空间分布对无机晶体的硬度具有较大影响.     

超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成,具有特殊的力学特性,比如带隙.弹性波只能在特定的频带(通带)内沿超材料结构传播,而在其他频带(带隙或禁带)内的弹性波将被阻隔.利用带隙特性可以实现弹性波过滤、振动和噪声控制等,由此学者进行了大量的研究工作,希望获得各种具有更好带隙特性的超材料结构.然而在实际工程应用中,超材料结构的尺寸往往已被固定,频率带隙的宽度以及位置往往成为限制其实用性的问题.因此,分析超材料结构中弹性波带隙的主动调控具有重要的理论与实际意义,可以为周期结构的振动控制和减振设计提供理论依据.本文针对周期超材料结构,综述了其中弹性波带隙主动调控问题的研究现状,简述了近年来发展的弹性波带隙主动调控研究方法,介绍了热点的研究结果,并提出了值得进一步深入研究的问题.     

热弹性耦合系统解的渐近性质

一、引言 热弹性耦合理论是一个引入注目的研究课题。在热弹性材料中,物体上的温度不仅取决于热源、有关的热力学物性系数和换热边界条件,而且还受到弹性变形应变率的影响。另一方面,弹性运动也受到温度的影响,因此热传导方程和弹性运动方程必须耦合求解,其数学模     

弹性变形对三维弹性液箱内晃荡波面的影响

弹性液舱舱壁在大幅晃荡液体的作用下会发生弹性变形,从而会对液舱内液体晃荡的水动力特性产生一定的影响.文中通过物理模型实验研究了水弹性效应对弹性方形液舱内液面晃动的影响.实验水深比h/L(h为液深,L为液舱长度)为0.167,激励频率在最低阶自振频率附近.由于液舱结构变形的影响,弹性液舱内液体的最低阶自振频率与同尺寸的刚性液舱略有差别.实验中分别对刚性和弹性两个方形液舱在不同频率的简谐纵向激励作用下的波动形态进行了分类分析,并比较了对应不同二维行波、过渡状态和三维共振以及二阶次共振等不同波动形态时弹性液舱和刚性液舱内的波面高度.     

弹性板波超材料研究进展

超材料指具有超越天然材料性能的人工材料,因其独特的物理性质及广泛的应用领域而受到人们的关注.固体中的弹性波被广泛应用于无损检测、无线通讯、无源传感等领域,具有重要的应用价值.不同于流体声波,固体中的弹性波由于存在纵波与横波的耦合及模式转换,更难以进行精确操纵,这就给超材料的应用提供了很好的舞台.本文以弹性波中极具代表性的板波作为焦点,较为系统地回顾了板波超材料的发展历史、主要研究进展及其在未来信息功能器件发展方向的潜力.     

纳米结构超硬块材研究进展

超硬材料作为基础性的工具材料,在工业与科学研究领域发挥着重要的作用,发展高性能超硬材料一直是科学界和产业界共同奋斗的目标.我们从共价晶体硬度的微观模型出发,系统研究了多晶共价材料的硬化机制,揭示了两种主要的硬化效应,分别为霍尔-佩奇效应和量子限域效应.随着显微组织特征尺寸的减小,多晶共价材料可持续硬化,为大幅度提高材料的硬度指明了全新的发展方向.在此基础上,提出了在金刚石和立方氮化硼两种超硬材料中形成超细纳米孪晶组织来获得超高性能的新思路.通过洋葱结构碳和氮化硼前驱体在高温高压下的马氏体相变,合成出具有超细纳米孪晶结构的金刚石和立方氮化硼块材.纳米孪晶结构同时提高了两种材料的硬度、断裂韧性和热稳定性.纳米孪晶金刚石的硬度达到200 GPa,为天然金刚石的2倍,将合成出比天然金刚石更硬材料的梦想变成了现实.纳米孪晶极硬材料的成功合成极大推动了高性能超硬材料研究,有望带来机械加工业和高压科学等领域的技术变革.     

非线性材料中空穴生成和增长问题的一些进展

本文综合近年来的研究成果,对非线性材料中的静、动态空穴生成和增长问题的研究进行了系统的评述.介绍了非线性材料超弹性理论的应变能函数、有限变形问题的求解问题,特别是非线性材料中的静、动态空穴生成和增长问题的最新进展,包括材料的温度等其他非弹性因素对空穴生成问题的影响等.     

含非完好界面的非线性弹性波超材料中SH波的非互易传输

研究了含非完好界面的非线性弹性波超材料中的非互易传输现象.通过结构的非对称性和材料的非线性打破了经典弹性波系统中的互易性原理.入射的反平面剪切(shear horizontal, SH)波与材料的非线性效应相互作用产生二次谐波.根据Bloch定理,利用刚度矩阵法得到了基频波和二次谐波的带隙和透射系数.通过与完好界面情况下的结果对比,讨论了界面特性对层状周期结构中SH波的带隙和非互易传输的影响.本研究有助于设计具有非互易传输性能的弹性波超材料器件.     

非晶态Fe_(86)Co_4Zr_(10)因瓦合金的声子谱软化

Endoh等人曾用非弹性中子散射实验方法系统地研究了铁基晶态因互合金的声子色散曲线与温度的关系,结果表明,低频声学模式在磁相变温度以下变软.这种与温度有关的声子软化现象与用超声波法测得的弹性软化是一致的.已知某些铁基非晶态合金也显示出因互效应.这些具有长程无序结构非晶态因瓦合金是否会表现出类似的声子软化现象显然是     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

NiTi多晶样品中弹性软化现象的研究

NiTi合金具有形状记忆效应,这一效应是与在～0℃以上发生的由B_2相(b.c.c.)→M相(b.c.t.)的马氏体相变有关的.在M_s点以上,曾发现电阻、X射线和电子衍射及内耗的反常,对这些被称为予马氏体效应的反常现象曾有多种解释,其中之一是Clapp的软模理论.他认为马氏体相变是由母相点阵中一些特殊区域(如缺陷)被应变导致的弹性不稳定性     

纳米晶体材料的有效弹性模量与界面效应

纳米晶体材料的很多性质与界面效应有关，从材料的微观结构特点出发，研究界面对材料的有效弹性性质的影响，首先，将纳米晶体材料看作一种两相复合材料，基体是具有不规则原子结构的界面相，夹杂是具有理想晶格的晶粒相，用Mori-Tanaka方法给出了有效模量的表达式，进而用应变梯度弹性理论，通过对纳米晶体材料的代表性胞元的分析，考察了应变梯度对材料变形行为的影响，分析了界面效应影响材料性质的两种微观物理机制，其一是界面相不规则原子结构的软化效应，其二是界面附近边界层存在引起的硬化效应。     

基于原子力显微镜抬高模式的DNA分子高度测量

在传统的轻敲模式原子力显微镜基础上利用抬高模式对DNA分子的高度进行了测量研究. 通过不断抬高针尖高度, 逐步减小针尖对样品的作用力, 以测量软样品的形变量, 并通过记录针尖的抬高高度来计算DNA分子的高度. 实验中利用抬高模式测得的DNA分子高度为1.5±0.2 nm, 而传统轻敲模式下测得的DNA分子的高度为0.8±0.2 nm, 表明针尖对DNA的作用力是导致传统轻敲模式测得DNA分子高度较低的重要因素. 同时本文采取的方法也适用于测量其他软样品的高度.     

从原子到晶体的材料硬度研究

基于单位体积的抓电子能量, 将硬度概念由原子硬度、离子硬度拓展到了键硬度, 在这三个微观层次上研究了材料硬度的本质. 研究发现, 材料的硬度与其组成原子或离子的硬度没有直接关系, 而与其组成化学键的硬度直接相关, 本质上取决于其单位体积组成化学键的抓电子能量, 并由此建立了鉴别宏观材料硬度的微观模型. 该工作有助于人们在原子水平上认识材料硬度的本质, 对于探索新型超硬材料具有重要的理论指导意义和实际应用价值.     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.