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.     

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...     

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.     

中国科学技术协会第165次青年科学家论坛在宁波举行

信息时代的标志是电子产品及其日益完备的网络功能,而且有着将以电子产品为标志的新兴信息技术与我们熟知的传统工程技术分开的趋势.但出乎意料的是,传统的固体力学中的弹性波理论与信息技术有着密切联系.弹性波理论的研究有悠久历史,是固体力学和声学的重要分支,有广泛的工程应用背景,与信息技术、传感器、无损     

力电耦合主动超材料及其弹性波调控

超材料是实现新奇弹性波调控功能的关键所在.其中,被动超材料最先被研究者关注,目前已实现了波动阻隔、负折射、波聚焦、绕射隐身等反常波动效果,因此被动超材料在低频减振降噪、结构健康监测和波动能量收集等方面有着广泛的应用前景.然而,被动超材料在制备完成后,其等效属性和波控功能很难再根据实际需求进行调节,限制了其在真实工作环境中的应用.近年来出现的力电耦合超材料能够实现波动性质的主动调节,突破了被动超材料的限制,因此受到越来越多的关注.力电耦合超材料在微结构材料组分和拓扑构型之外引入多物理场耦合效应来改变等效属性,并能通过外部电场控制实现特定的非常规属性或者材料属性的主动甚至自适应调节.本文首先介绍力电耦合超材料的基本概念.然后,根据外部电场作用方式的不同将力电耦合超材料分为两类;并从等效属性的电场调控机理、耦合电场/微结构设计和波控功能等方面,对力电耦合超材料的研究现状和发展趋势进行了详尽的介绍和讨论.最后,针对波动控制的功能拓展、宽低频实现机理、动态均匀化以及高效数值预报等方面,对未来力电耦合超材料的研究方向与应用领域进行展望.     

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.     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

纳米固体镍钛的居里温度

纳米固体是一种全新结构的固体材料.由于它的特殊结构和性能,引起了科技界和工业界的重视,开展了广泛的研究.我们这里所指的纳米固体是由超细颗粒(通常为1～100 nm)在保持较清洁的表面原位加压成型的块体材料.由于所组成的是超细颗粒,且具有很高的界面体积从而使材料的物理性能有很大改变甚至完全与常规材料不同.本文介绍采用TG方法测得的纳米固体镍钛的居里温度及其变化.     

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.     

含机构位移模式的超材料低频宽带波动控制

基于谐振微结构的超材料普遍存在有效工作带宽狭窄和工作频率位置受谐振子质量控制的问题,严重制约了弹性波超材料的应用推广.本文通过将机构位移模式引入超材料中,设计了由圆盘连杆机构组成的机构超材料,研究了其零频负刚度和双各向异性.通过同时引入机构位移模式和内部阻尼,在不增加整体质量的前提下,实现了局域谐振超材料的低频宽带振动控制.本文的研究探索了机构超材料中局部机构位移与整体超低频波动强耦合的机理,为工程结构的宽低频波动与振动控制提供了理论基础与设计指导.     

分子基导电聚合物吸波材料:进展与未来挑战

随着科技的发展,电磁辐射泄漏引起的电磁污染问题日趋严峻.电磁污染不仅会影响电子设备的功能,而且会对人体健康产生不良的影响.为解决这一问题,研发具有各种新颖结构的电磁波吸收材料具有重要的意义.分子基导电吸波材料因其独特的物理化学特性展现出良好的吸波潜能,吸引了研究者的广泛兴趣.本文综述了近年来有关分子基导电吸波材料的相关研究成果.首先,介绍了分子基导电吸波材料的吸波原理.然后,聚焦分子基导电吸波材料中的三大类材料,即导电高分子聚合物、导电共轭聚合物和导电金属-有机配合物吸波材料,讨论了其结构设计调控策略和吸波损耗机制.此外,本文还介绍了典型的制备分子基导电吸波材料的方法.最后,结合面向前沿的吸波材料的需求,指出了分子基导电吸波材料未来研究亟待解决的挑战.     

结构搜索程序CALYPSO在新型超硬材料探索方面的应用

新型超硬材料的探索研究具有十分重要的应用价值.结构搜索程序不但能对一些实验合成但结构不确定的超硬材料的结构进行探索确认,而且能对实验尚未合成的超硬材料进行探索研究,对开发新型超硬材料十分有利.本文综述了利用结构搜索程序CALYPSO对超硬材料(B,C,N超硬材料和过渡金属硼化物)进行的结构搜索研究,并展示了相应材料的硬度、弹性性质和电子结构性质等.     

飞秒激光仿生制备极端浸润性表面

极端浸润性表面由于具有许多奇异的特性和重要的应用,近年来备受国际学术界和工业界的广泛关注.与传统微制造技术相比,飞秒激光微纳加工技术在设计制备复杂精细表面微纳结构方面具有非常突出的优势.飞秒激光近年来也被成功应用于调控固体材料表面的浸润性.本文系统总结了飞秒激光在制备不同极端浸润性表面方面的研究进展,包括超疏水表面、水下超疏油表面、水下超疏气表面、润滑液灌注滑动表面、可调粘滞性表面以及各向异性表面.本文从仿生制备的角度,阐述了各种超浸润表面飞秒激光构建的方法和思路,以及不同浸润性之间的关系,介绍了飞秒激光诱导极端浸润性表面的重要应用,探讨了该领域目前所面临的主要挑战,并对未来的发展进行了展望.     

单面弹性固体层负载的板中SH波的时频分析

利用时频分析方法分析一侧附有弹性固体负载层的各向同性板中水平剪切波(SH波)的传播特性. 为验证该方法的有效性, 采用基于短时傅立叶变换的时频重排方法对有限元仿真出来的SH波信号进行了分析. 提取出来的频散数据与频散方程分析的结果相符. 结果表明, 负载层厚度的增加会引起SH0模式群速度和高阶模式截止频率的降低, 从而可应用于负载层特性的传感. 文中也讨论了该方法的局限性.     

由二次Doppler效应确定非晶合金的Debye温度

一、引言 固体中原子间相互作用使原子围绕平衡位置振动并形成各种模式的波,Debye从连续介质中的弹性波考虑分析了晶格振动的能量,从而得到了固体比热的公式。Debye理论中的特征温度——Debye温度θ_D是标志固体中原子间结合强弱的物理量,对研究晶格动力学是有意义的。一般可以从两个方法求θ_D:1)测定固体比热随温度变化的规律,按Debye比热     

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.     

超快激光制备超疏水超亲水表面及超疏水表面机械耐久性

近年来,受大自然的启发,具有特殊润湿性的仿生结构表面因其在日常生活和工业生产领域的广阔应用前景引起了研究者的广泛关注.同时,超快激光的快速发展为材料表面结构的加工提供了新的强大工具,在超疏水或超亲水表面结构的制备方面取得了一系列突出的成果.但迄今为止,已经商业化的超疏水表面仍然非常有限,其中关键的问题是超疏水表面的机械耐久性问题.本文基于超快激光加工方法,总结了仿生微纳结构制备和应用方面的最新研究进展,重点介绍了几种具有特殊润湿性的疏水和亲水表面结构,并对超疏水表面的机械耐久性问题及其测试方法进行了阐述和总结,最后讨论了该领域存在的一些问题及未来的发展方向.     

超分子主体化合物环糊精应用于环境污染物分离分析的研究进展

超分子化学是化学的一个崭新的分支学科, 它是研究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学. 超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用, 以分子识别为基础, 设计、合成、组装具有新颖性能的超分子功能材料, 将为分析科学提供理论指导和新的应用体系, 为生命科学、材料科学、环境科学等共同发展做出巨大贡献. 本文对超分子主体化合物环糊精作为分子识别功能材料, 在环境污染物分离分析应用中的研究进展进行了简要概述, 以期探讨环糊精及其衍生物在未来环境领域有机污染物、特别是持久性有机污染物和新型污染物分离分析中的应用前景和发展趋势.     

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time, PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.     

弹性软模决定材料硬度

利用第一原理计算研究了共价晶体和离子晶体的单晶弹性常数及机械硬度.结果表明,对材料硬度起主导作用的是最软的弹性形变模式,而非普遍认为弹性模量的平均值.这体现了力学稳定性及各向异性在决定材料硬度时的重要作用.以碳化钨为例展示了上述理念在材料设计中的应用.通过氮或铼的合金化调节费米能级,从而强化最软的弹性模式,可以进一步提高这种硬质材料的硬度.