Adv. Mater. 北京理工大学-低频下的可调数字超材料

【引言】

弹性超材料是一种人工复合材料，其具有自然材料所没有的各种特殊性能，如负有效质量密度，负有效模量，负泊松比等等，因此，它在先进的工程应用如隔振，导波，亚波长聚焦，隐形斗篷等中具有很大的发展前景。

弹性超材料有一个十分显著的特点：由于嵌入单元中的单位的局部共振，从而可以在相对较低的频率范围产生带隙。但是，传统的弹性超材料由于其固定的微结构，导致它只能在固定频率下工作，并且还只有一个功能，这就限制了弹性超材料的应用。为了打破限制，在不同的外部环境下，弹性超材料就需要具有可调的性质，其可以通过调整局部谐振器的谐振频率实现。然而，这种调整方法需要人们精巧地设计局部共振单元或整体结构，并且要以简单的方式触发局部谐振变换，这项工作很难实现，特别是在较低的频率下。因此，如何用可调的方式在低频下拓宽带隙范围是传统弹性超材料的一个挑战。

【成果简介】

北京理工大学张凯（通讯作者）等人通过3D打印技术制备了一种可调的数字弹性超材料，其包括一个主框架和嵌入式电磁铁的辅助梁。通过转换电磁铁的模式（接触（1位），分离（0位））可以激活超材料不同的波导。并且研究人员还对其基本机制进行了理论和实验研究。通过分层组装单元组件可以让人们通过编程的方式拓宽超材料的带隙，为许多工程领域的振动隔离提供了一种新途径。

【图文导读】

图1 数字超材料的结构

(a) 12×12单元阵列的3D打印的超材料

(b) 超材料的一个单元：包括一个方形框架，两对梁，两个电磁铁

(c) 分离（Det）和接触（Att）模式的转换，由直流开关实现

(d)、(e) 超材料中波的传播实验和数值模拟研究

图2 具有内部谐振器的一维弹簧质点格子的理论和实验分析

(a)分离（Det）和接触（Att）下，1维弹簧质点格子单元的示意图

(b) 分离和接触模式下，单元的有效质量

(c) 分离（红点和红线）和接触（蓝圈蓝虚线）模式下，5个单元的实验和理论透光率

图3 分离和接触模式下，超材料的能带结构

(a)分离模式下，超材料的能带结构

(b)接触模式下，超材料的能带结构

图4 具有可调谐超材料表面涂层的柔性基块与智能器件

(a) 具有可调谐超材料表面涂层的柔性基块

(b) 基块控制波的传播

(c) 辅助梁上的具有压电薄膜的智能器件，其可以隔离有害振动并创建一个受保护的内部环境，具有自主感知、自主反应和自供电的特点

【小结】

研究人员提出了一种可调的数字超材料，包括一个格子与嵌入式电磁铁辅助梁。通过控制各单元电磁铁的电流可以在超材料中实现理想的波导。并且，通过交换单元之间的Det（0位）和Att模式（1位），使辅助梁边界条件发生变化，从而可以打开或关闭对应于低共振频率的内部谐振器的带隙。此外，研究人员还引入编码机制，其可以拓宽带隙的频率范围，还可以很好地调谐分布。该超材料还可以提高柔性结构对波传播的控制，并使新型智能器件实现振动隔离成为可能。

文献链接：Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604009）

本文由材料人电子电工学术组风之翼供稿，材料牛整理编辑。

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