在航空航天、轨道交通、建筑制造等众多工程领域,服役装备对噪声控制和承载抗冲的耦合需求显著,结构/材料在保持轻量化的同时,不仅需消噪抑噪、降低噪声危害,还需提供卓越的机械强度和能量吸收性能。因此,开发兼具优异吸声及力学性能的多功能超材料成为新的发展方向。然而,在轻量化与小尺寸空间限制下,要实现材料/结构的多功能、高性能仍然是一大技术难点,如低密度难以提供理想的力学响应、小尺寸则一定程度限制了吸声效率,面向此类多功能超材料的增强设计与调控方法有待进一步开展研究。
针对上述难题,香港大学陆洋教授、中南大学王中钢教授和香港理工大学余翔助理教授合作开展研究,提出一种兼具优异吸声及力学性能的多层曲壁超材料弱耦合设计方法,揭示了其多模态耦合宽带吸声机制、大变形抗损伤增强机制,建立了此类声-力多功能超材料设计与调控的基本研究框架。受乌贼骨多层板-腔构型与胞壁垂向非线性曲度特征启发,文章分别采用异质多层共振体、轴向曲壁单元调控超材料吸声与力学行为,实验结果表明:所提超材料实现了紧凑尺寸下宽带高效吸声(1.0至6.0 kHz平均吸声系数0.8),且其非线性曲壁特征引导了塑性段稳定渐进变形而非直壁构型的大面积解体破坏,较大程度提升了塑变吸能能力。该研究成果以”Unprecedented mechanical wave energy absorption observed in multifunctional bioinspired architected metamaterials”为题,发表在期刊NPG Asia Materials上。
文章首先分析了乌贼骨微观结构,发现该组织除了可拓展应用至共振系统设计的多层板-腔特征外(图1Ai-Aii),其胞壁存在显著的纵向曲度,且由下至上逐渐增大,但该特征往往因其复杂性被忽略(图1Bi-Biii);对此,作者将该生物组织的非线性曲度特征应用至文中声-力多功能超材料的胞壁设计。图1Ci-Ciii和图1Di-Dii分别展示了吸声共振板异质级联设计、非线性曲壁单元设计,这种独立设计依赖于声学、力学两类功能之间的弱耦合关系(图1E),即影响各功能的超材料单元是基本独立的(非极端几何条件下),比如力学性能主要由轴向曲壁单元所决定,而非与加载方向垂直的声学共振板。曲壁平面方向为正弦函数控制、垂向方向由乌贼骨组织特征曲线控制,文中采用了不同初始幅值曲壁及直壁构型开展后续研究。
图1 多功能仿生声-力超材料设计方法
采用SLM方法制备样件后(图2A、B),通过阻抗管测试了其吸声性能并开展分析。文中对比了直壁、三种初始幅值曲壁构型的吸声曲线、平均吸声系数、吸声系数为0.75的吸声带宽(图2Ci-Ciii)。总体上,腔体的曲型特征对吸声行为影响较小,各吸声指标差异性不大。为评估所提超材料在该小尺寸(21 mm)下的吸声性能,绘制了该频率范围下各类已报导超材料的厚度-平均吸声系数图谱,结果表明所提曲壁超材料表现较优(图2D),能一定程度克服材料厚度与吸声效率的矛盾。
图2 超材料样件及实验测试吸声性能
进一步,通过理论与模拟手段揭示了该超材料的宽带吸声机制。绘制了该超材料多模态共振系统示意图(图3A、B),它由两个三层级联共振体耦合组成;构建了其理论计算模型并完成实验验证;分析了其吸声频谱特征及内在机制(图Ci-Ciii),通过两个耦合级联系统的阻抗匹配关系及反射系数复平面图进一步剖析了耦合前、后的共振响应(图Di-Div);结果表明,在该紧凑尺寸下,级联共振体整体吸声峰偏低,且两个系统在1-6 kHz的主导频率区间不同,故而耦合后阻抗匹配行为整体较优;通过数值模拟计算得到粘热能量在各共振频率的耗散特征(图Ei-Eii)、超材料空气域内的声能耗散分布(图Fi-Fii),进一步阐述了各单元间的吸声作用差异及耦合行为。
图3 吸声频谱特征及物理机制
开展单轴准静态加载实验,对比不同弯曲幅值下的超材料样件塑变吸能行为差异。通过实验测试的应力-应变曲线对比分析可知(图4A),即使等效密度相同,该超材料单元的垂向曲率对其宏观力学性能也影响极大,这不仅体现在实测所得关键力学指标上(图4B),应力-应变曲线的波动率差异也尤为明显(图4C)。这表明,竖直胞壁存在应力陡降行为(接近0),这源于其塑性阶段的大面积解体破坏;而对于文中所设计的曲壁超材料,其应力-应变曲线波动小、塑性变形更为稳定;此外,文中绘制了密度-刚度、密度-强度、等效密度-比吸能图,用于评估所提超材料的实验所测力学性能(图4Di-Diii),结果表明其各项性能表现较优。
图4 单轴准静态压缩实验测试所得超材料力学性能
文中对比了实验与模拟所得直壁、一组代表性曲壁构型的塑性变形模式(图5A),分析了轴向局部曲度特征带来的机械鲁棒性提升行为,验证了数值仿真模型准确性(图5B),并进一步通过应力、等效塑性应变、拉-压应力分布特征阐述了所提超材料的大变形抗损伤增强机制(图5Ci-Cii);基于实验与模拟所得变形模式,图5Ciii通过胞元尺度的变形示意图阐述了该超材料的宏观性能增强机制:在达到屈服点后,曲壁胞元产生较缓和的局部撕裂破坏,其坍塌部分单元能一定程度提供载荷支撑与有效应力传递,随着载荷持续增加,已坍塌和未坍塌胞元间的接触与支撑作用进一步增强,宏观上呈现为温和型渐进破坏模式。
图5 力学响应与变形机制
文章最后建立了此类声-力多功能超材料设计与调控的基本研究框架,以其吸声性能、力学性能之间的相关性为区分,将其设计方法分为了弱耦合与强耦合两大类,以单元设计-内在机制-研究方法-整体性能为主线,论述了两类设计的优劣性及相关调控与优化方法(图6A);列举了部分已报导过的超材料样件作为示例(图6B),对该方向的未来相关研究进行了展望与讨论。
图6 声-力多功能超材料研究框架
中南大学交通运输工程学院博士李振东为论文第一作者(现为香港理工大学博士后),香港大学陆洋教授、中南大学王中钢教授和香港理工大学余翔助理教授为本论文的共同通讯作者,论文共同作者还包括中南大学博士研究生王鑫鑫、郭子超、曾可欣,香港大学博士后李崇,新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授。该研究得到了国家重点研发计划课题、湖南省科技创新领军人才以及湖南省自然科学基金杰出青年基金等项目的资助。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41427-024-00565-5
审核:力学家
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