多功能仿生超材料聲-力性能高效設計及調控方法
在航空航天、軌道交通、建筑制造等眾多工程領域，噪聲和沖擊危害無處不在，迫切需要能夠同時吸收聲音和應力波能量的材料。針對這一挑戰，香港大學陸洋教授、中南大學王中鋼教授和香港理工大學余翔助理教授合作開展研究，以烏賊骨為靈感，通過弱耦合設計，提出了具有的吸聲和機械性能的生物啟發型結構化超材料。該超材料通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術制造，使用高強度Ti6Al4V合金。Ti6Al4V合金提供了高強度、耐腐蝕性和高溫性能，有助于穩定的吸聲。實驗結果表明：所提超材料實現了緊湊尺寸下寬帶高效吸聲(1.0至6.0 kHz平均吸聲系數0.8)，且其非線性曲壁特征引導了塑性段穩定漸進變形而非直壁構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，發表在期刊NPG Asia Materials上。
一、研究背景
在實際工程中，噪聲和沖擊波的危害普遍存在，這促使人們尋求能夠同時吸收聲波和應力波能量的材料。作者指出，設計這種多功能材料是一個挑戰，因為它需要同時優化材料的吸聲和機械性能。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，研究人員開始探索模仿自然界生物結構的先進材料設計。增材制造技術的發展促進了生物啟發型超材料的興起，這類材料具有的屬性，通常在自然界中找不到。在過去的幾十年中，研究人員一直致力于提高傳統材料如穿孔板、泡沫和織物的吸聲效率，開發了多種新型吸聲超材料和先進的多孔材料，如氣凝膠和石墨烯泡沫。
然而，研究人員面臨著在高強度和寬帶吸聲之間找到平衡的難題。文章提出，為了實現理想的機械波能量吸收材料，需要一種新的設計方法。這種方法靈感來源于烏賊骨的微觀結構，它具有固有的強度、韌性和可適應的細胞特征。烏賊骨的“墻-隔板"結構和細胞壁的不對稱彎曲模式為設計吸聲器提供了潛力，并且在力學中很重要。
文章介紹了通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術制造的多功能生物啟發型結構化超材料（MBAMs），這種材料使用高強度的Ti6Al4V合金。這些超材料在實驗中顯示出了優異的吸聲性能，平均吸聲系數為0.80，且在21毫米的緊湊厚度下，77%的數據點超過了0.75的閾值。此外，這些超材料還展現出了機械性能，包括高模量、高強度和超高的比能量吸收。這項研究為設計具有理想聲學和機械性能的多功能材料提供了新的視角。
二、設計原則
研究介紹了如何從烏賊骨的微觀結構中汲取靈感，設計出具有吸聲和機械性能的生物啟發型結構化超材料（MBAMs）。
1.自然微觀特征：
烏賊骨的“墻-隔板"微觀結構通過掃描電子顯微鏡（SEM）揭示，展示了其堅固的多室結構和波動的細胞壁。
烏賊骨細胞壁的非線性彎曲特征被特別強調，這種特征在以往的研究中常被忽視，但對于力學性能至關重要。
2.異質吸聲材料：
設計了三層級聯的共振板，并在其中引入了耗散孔，以提高吸聲效率。
基于級聯共振的概念，設計了異質結構，將超材料分為兩個并行部分（Part 1和Part2），每個部分都包含三個串聯電路，形成了多模態混合共振系統。
3.彎曲細胞壁：
細胞壁的設計模仿了烏賊骨的自然曲率，并且結合了水平方向的正弦波模式，以增強吸聲性能。
不同的彎曲級別（如直線墻和不同的A0值）被用來研究其對材料性能的影響。
4.弱耦合設計方法：
提出了一種“弱耦合"設計方法，允許聲學和機械單元幾乎獨立設計，從而實現高度定制化的聲音和應力波能量吸收性能。
這種設計方法使得吸聲性能由共振板的幾何形狀和排列模式控制，而對軸向機械性能影響不大；反之，細胞壁的形狀決定了應力波能量吸收，但對吸聲性能影響甚微。
圖1 多功能仿生聲-力超材料設計方法
Ai：描述了烏賊骨在烏賊體內的位置，指出“S"方向是從背側指向腹側。
Aii：提到了烏賊骨的一個廣泛研究的微觀結構特征，即具有水平波動墻的多層墻-隔板結構，并注明了版權信息。
Bi：展示了烏賊骨側面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，顯示了細胞壁從底部到頂部的生長情況。
Bii：重建了細胞壁的輪廓，進一步揭示了細胞壁的彎曲模式。
Biii：描述了根據公式（1）計算的細胞壁長度與高度之間的關系，這個公式數學上表征了細胞壁長度的非線性增加。
Ci：介紹了受多層墻-隔板微觀結構啟發的級聯共振板設計，并引入了耗散孔。
Cii：基于級聯共振的異質設計，將超材料分為兩個并行部分（第1部分和第2部分）。
Ciii：展示了單元格的空氣相，其幾何形狀由固態細胞壁控制。
Di：提供了超材料和彎曲細胞壁的示意圖。
Dii：展示了具有四個彎曲級別的細胞壁形態：直線墻和A0 = 0.5、1.0和1.5。
E：描述了弱耦合設計方法：對于吸收聲波能量重要的元素/單元，但對于吸收應力波能量可以忽略不計，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，以Ti6Al4V合金為材料進行加工。
激光功率設置為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。
2.材料參數測定：
在Instron 8501設備上進行拉伸測試，以確定材料參數。
得到的材料參數包括彈性模量Es、初始屈服強度σ0、泊松比ν和密度ρs。
3.吸聲測量：
使用標準雙麥克風設置（SKCZT13），遵循ISO10534-2標準進行吸聲系數測量。
樣品直徑為30毫米，固定在樣品架上。
測試頻率范圍從0.8 kHz到6.3kHz。
4.機械性能測量：
使用Shimadzu AG25-TB萬能試驗機進行壓縮實驗。
樣品以0.002 s–1的應變率進行軸向準靜態加載。
壓縮方向與SLM構建方向平行的一對面對齊。
使用數字相機記錄變形模式。
5.有限元方法（FEM）：
開發有限元（FE）模型，使用COMSOL Multiphysics軟件。
對于吸聲特性，使用熱粘性聲學模塊，并結合邊界層理論。
對于壓縮模型，模擬多細胞結構的塑性大應變變形。
通過應力-應變曲線驗證模型的準確性。
圖2 超材料樣件及實驗測試吸聲性能
第四章 結果和討論
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α在1.0至6.0kHz的頻率范圍內超過0.77，最高平均吸聲系數達到0.80，77%的數據點超過了0.75的閾值。
盡管厚度僅有21毫米，MBAMs的吸聲性能卻遠超一般趨勢，表明了其在吸聲效率上的顯著優勢。
2.物理機制：
MBAMs由兩個并行的共振系統組成，每個系統都包含三個級聯的共振單元。這些共振單元對整體設計的貢獻在于它們提供了不同的表面阻抗，從而增強了吸聲性能。
通過耦合模式理論，分析了共振器的反射系數，揭示了在“臨界耦合"條件下，即輻射衰減率等于內在損耗率時，實現了吸聲。
3.剛度、強度、損傷容限和能量吸收：
通過軸向壓縮測試，研究了MBAMs的機械響應。結果顯示，隨著細胞壁彎曲級別的增加，材料的應力-應變響應呈現出更溫和的軌跡，有效減輕了嚴重故障。
MBAMs在A0 =1.0時展現出了優異的比能量吸收（SEA），達到了50.7J/g，比直線墻設計提高了558.4%。
4.變形和增強機制：
通過實驗和有限元方法（FEM）分析了MBAMs在不同壓縮應變下的變形模式，發現MBAMs能夠從災難性故障轉變為期望的損傷容限逐層變形模式。
應力分布集中在最大曲率區域，這有助于定向應力傳播，提高有效的應力轉移，并促進墻體間的相互作用，從而增強結構強度。
5.研究框架和前景：
提出了一個研究框架，用于設計具有聲學和機械性能的多功能超材料，包括弱耦合和強耦合兩種設計方法。
討論了未來值得探索的領域，如新型結構設計、材料和功能，以及這些多功能材料在建筑和運輸行業中的實際潛力。
圖3 吸聲頻譜特征及物理機制
開展單軸準靜態加載實驗，對比不同彎曲幅值下的超材料樣件塑變吸能行為差異。通過實驗測試的應力-應變曲線對比分析可知（圖4A），即使等效密度相同，該超材料單元的垂向曲率對其宏觀力學性能也影響極大，這不僅體現在實測所得關鍵力學指標上（圖4B），應力-應變曲線的波動率差異也尤為明顯（圖4C）。這表明，豎直胞壁存在應力陡降行為（接近0），這源于其塑性階段的大面積解體破壞；而對于文中所設計的曲壁超材料，其應力-應變曲線波動小、塑性變形更為穩定；此外，文中繪制了密度-剛度、密度-強度、等效密度-比吸能圖，用于評估所提超材料的實驗所測力學性能（圖4Di-Diii），結果表明其各項性能表現較優。
圖4 單軸準靜態壓縮實驗測試所得超材料力學性能
文中對比了實驗與模擬所得直壁、一組代表性曲壁構型的塑性變形模式（圖5A），分析了軸向局部曲度特征帶來的機械魯棒性提升行為，驗證了數值仿真模型準確性（圖5B），并進一步通過應力、等效塑性應變、拉-壓應力分布特征闡述了所提超材料的大變形抗損傷增強機制（圖5Ci-Cii）；基于實驗與模擬所得變形模式，圖5Ciii通過胞元尺度的變形示意圖闡述了該超材料的宏觀性能增強機制：在達到屈服點后，曲壁胞元產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力傳遞，隨著載荷持續增加，已坍塌和未坍塌胞元間的接觸與支撐作用進一步增強，宏觀上呈現為溫和型漸進破壞模式。
圖5 力學響應與變形機制
第五章：結論
作者總結了他們的研究發現，并強調了所提出的多功能生物啟發型結構化超材料（MBAMs）的重要性和潛在應用。
1.創新材料介紹：
研究介紹了一類新型的多功能生物啟發型結構化超材料（MBAMs），這些材料以烏賊骨微觀結構為靈感，采用弱耦合設計方法。
2.聲學性能：
MBAMs在1.0至6.0 kHz的寬頻率范圍內展現出了的吸聲性能，平均吸聲系數達到0.80，且有77%的數據點超過了0.75，這在僅有21毫米厚度的材料中是非常顯著的。
3.物理機制：
通過異質設計和遠場耦合效應，MBAMs實現了多模態混合共振，這是其吸聲性能的基礎。
4.機械性能：
除了優異的吸聲性能，MBAMs還展現出了超高強度、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、強度211MPa和比能量吸收50.7J/g。
5.設計和應用前景：
這些多功能材料不僅在實驗室中具有潛力，而且隨著增材制造技術的進步，它們有望被集成到各種大規模工程項目中，特別是在建筑和運輸行業。
6.研究框架：
作者提出了一個研究框架，用于設計和優化聲學和機械性能的超材料，這為未來的研究和開發提供了方向。
圖6 聲-力多功能超材料研究框架
綜上所述，MBAMs在材料科學和工程領域架起了一個重要的橋梁，它們不僅在理論上具有創新性，而且在實際應用中也具有巨大的潛力。這些超材料的設計和制造為解決實際工程中的噪聲和沖擊問題提供了新的可能性，并且它們的多功能性為未來的材料設計提供了新的思路。
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