Adv. Mater. 北京理工大學-低頻下的可調數字超材料

【引言】

彈性超材料是一種人工復合材料，其具有自然材料所沒有的各種特殊性能，如負有效質量密度，負有效模量，負泊松比等等，因此，它在先進的工程應用如隔振，導波，亞波長聚焦，隱形斗篷等中具有很大的發展前景。

彈性超材料有一個十分顯著的特點：由于嵌入單元中的單位的局部共振，從而可以在相對較低的頻率范圍產生帶隙。但是，傳統的彈性超材料由于其固定的微結構，導致它只能在固定頻率下工作，并且還只有一個功能，這就限制了彈性超材料的應用。為了打破限制，在不同的外部環境下，彈性超材料就需要具有可調的性質，其可以通過調整局部諧振器的諧振頻率實現。然而，這種調整方法需要人們精巧地設計局部共振單元或整體結構，并且要以簡單的方式觸發局部諧振變換，這項工作很難實現，特別是在較低的頻率下。因此，如何用可調的方式在低頻下拓寬帶隙范圍是傳統彈性超材料的一個挑戰。

【成果簡介】

北京理工大學張凱（通訊作者）等人通過3D打印技術制備了一種可調的數字彈性超材料，其包括一個主框架和嵌入式電磁鐵的輔助梁。通過轉換電磁鐵的模式（接觸（1位），分離（0位））可以激活超材料不同的波導。并且研究人員還對其基本機制進行了理論和實驗研究。通過分層組裝單元組件可以讓人們通過編程的方式拓寬超材料的帶隙，為許多工程領域的振動隔離提供了一種新途徑。

【圖文導讀】

圖1 數字超材料的結構

(a) 12×12單元陣列的3D打印的超材料

(b) 超材料的一個單元：包括一個方形框架，兩對梁，兩個電磁鐵

(c) 分離（Det）和接觸（Att）模式的轉換，由直流開關實現

(d)、(e) 超材料中波的傳播實驗和數值模擬研究

圖2 具有內部諧振器的一維彈簧質點格子的理論和實驗分析

(a)分離（Det）和接觸（Att）下，1維彈簧質點格子單元的示意圖

(b) 分離和接觸模式下，單元的有效質量

(c) 分離（紅點和紅線）和接觸（藍圈藍虛線）模式下，5個單元的實驗和理論透光率

圖3 分離和接觸模式下，超材料的能帶結構

(a)分離模式下，超材料的能帶結構

(b)接觸模式下，超材料的能帶結構

圖4 具有可調諧超材料表面涂層的柔性基塊與智能器件

(a) 具有可調諧超材料表面涂層的柔性基塊

(b) 基塊控制波的傳播

(c) 輔助梁上的具有壓電薄膜的智能器件，其可以隔離有害振動并創建一個受保護的內部環境，具有自主感知、自主反應和自供電的特點

【小結】

研究人員提出了一種可調的數字超材料，包括一個格子與嵌入式電磁鐵輔助梁。通過控制各單元電磁鐵的電流可以在超材料中實現理想的波導。并且，通過交換單元之間的Det（0位）和Att模式（1位），使輔助梁邊界條件發生變化，從而可以打開或關閉對應于低共振頻率的內部諧振器的帶隙。此外，研究人員還引入編碼機制，其可以拓寬帶隙的頻率范圍，還可以很好地調諧分布。該超材料還可以提高柔性結構對波傳播的控制，并使新型智能器件實現振動隔離成為可能。

文獻鏈接：Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency（Adv. Mater., 2016, DOI:?10.1002/adma.201604009）

本文由材料人電子電工學術組風之翼供稿，材料牛整理編輯。

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