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【3D打印仿生超材料】多功能仿生超材料聲-力性能高效設(shè)計(jì)及調(diào)控方法

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多功能仿生超材料聲-力性能高效設(shè)計(jì)及調(diào)控方法




在航空航天、軌道交通、建筑制造等眾多工程領(lǐng)域,噪聲和沖擊危害無(wú)處不在,迫切需要能夠同時(shí)吸收聲音和應(yīng)力波能量的材料。針對(duì)這一挑戰(zhàn),香港大學(xué)陸洋教授、中南大學(xué)王中鋼教授和香港理工大學(xué)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(shè)計(jì),提出了具有的吸聲和機(jī)械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料。該超材料通過選擇性激光熔化(SLM)增材制造技術(shù)制造,使用高強(qiáng)度Ti6Al4V合金。Ti6Al4V合金提供了高強(qiáng)度、耐腐蝕性和高溫性能,有助于穩(wěn)定的吸聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所提超材料實(shí)現(xiàn)了緊湊尺寸下寬帶高效吸聲(1.0至6.0 kHz平均吸聲系數(shù)0.8),且其非線性曲壁特征引導(dǎo)了塑性段穩(wěn)定漸進(jìn)變形而非直壁構(gòu)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(fā)表在期刊NPG Asia Materials上。


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一、研究背景


在實(shí)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(shí)吸收聲波和應(yīng)力波能量的材料。作者指出,設(shè)計(jì)這種多功能材料是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)樗枰瑫r(shí)優(yōu)化材料的吸聲和機(jī)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(zhàn),研究人員開始探索模仿自然界生物結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料設(shè)計(jì)。增材制造技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了生物啟發(fā)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(tǒng)材料如穿孔板、泡沫和織物的吸聲效率,開發(fā)了多種新型吸聲超材料和先進(jìn)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(qiáng)度和寬帶吸聲之間找到平衡的難題。文章提出,為了實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)械波能量吸收材料,需要一種新的設(shè)計(jì)方法。這種方法靈感來(lái)源于烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu),它具有固有的強(qiáng)度、韌性和可適應(yīng)的細(xì)胞特征。烏賊骨的“墻-隔板"結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁的不對(duì)稱彎曲模式為設(shè)計(jì)吸聲器提供了潛力,并且在力學(xué)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(shù)制造的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料(MBAMs),這種材料使用高強(qiáng)度的Ti6Al4V合金。這些超材料在實(shí)驗(yàn)中顯示出了優(yōu)異的吸聲性能,平均吸聲系數(shù)為0.80,且在21毫米的緊湊厚度下,77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過了0.75的閾值。此外,這些超材料還展現(xiàn)出了機(jī)械性能,包括高模量、高強(qiáng)度和超高的比能量吸收。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)具有理想聲學(xué)和機(jī)械性能的多功能材料提供了新的視角。



二、設(shè)計(jì)原則


研究介紹了如何從烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu)中汲取靈感,設(shè)計(jì)出具有吸聲和機(jī)械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料(MBAMs)。


1.自然微觀特征:

烏賊骨的“墻-隔板"微觀結(jié)構(gòu)通過掃描電子顯微鏡(SEM)揭示,展示了其堅(jiān)固的多室結(jié)構(gòu)和波動(dòng)的細(xì)胞壁。

烏賊骨細(xì)胞壁的非線性彎曲特征被特別強(qiáng)調(diào),這種特征在以往的研究中常被忽視,但對(duì)于力學(xué)性能至關(guān)重要。


2.異質(zhì)吸聲材料:

設(shè)計(jì)了三層級(jí)聯(lián)的共振板,并在其中引入了耗散孔,以提高吸聲效率。

基于級(jí)聯(lián)共振的概念,設(shè)計(jì)了異質(zhì)結(jié)構(gòu),將超材料分為兩個(gè)并行部分(Part 1和Part2),每個(gè)部分都包含三個(gè)串聯(lián)電路,形成了多模態(tài)混合共振系統(tǒng)。


3.彎曲細(xì)胞壁:

細(xì)胞壁的設(shè)計(jì)模仿了烏賊骨的自然曲率,并且結(jié)合了水平方向的正弦波模式,以增強(qiáng)吸聲性能。

不同的彎曲級(jí)別(如直線墻和不同的A0值)被用來(lái)研究其對(duì)材料性能的影響。


4.弱耦合設(shè)計(jì)方法:

提出了一種“弱耦合"設(shè)計(jì)方法,允許聲學(xué)和機(jī)械單元幾乎獨(dú)立設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)高度定制化的聲音和應(yīng)力波能量吸收性能。

這種設(shè)計(jì)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(duì)軸向機(jī)械性能影響不大;反之,細(xì)胞壁的形狀決定了應(yīng)力波能量吸收,但對(duì)吸聲性能影響甚微。


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圖1 多功能仿生聲-力超材料設(shè)計(jì)方法

Ai:描述了烏賊骨在烏賊體內(nèi)的位置,指出“S"方向是從背側(cè)指向腹側(cè)。

Aii:提到了烏賊骨的一個(gè)廣泛研究的微觀結(jié)構(gòu)特征,即具有水平波動(dòng)墻的多層墻-隔板結(jié)構(gòu),并注明了版權(quán)信息。

Bi:展示了烏賊骨側(cè)面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像,顯示了細(xì)胞壁從底部到頂部的生長(zhǎng)情況。

Bii:重建了細(xì)胞壁的輪廓,進(jìn)一步揭示了細(xì)胞壁的彎曲模式。

Biii:描述了根據(jù)公式(1)計(jì)算的細(xì)胞壁長(zhǎng)度與高度之間的關(guān)系,這個(gè)公式數(shù)學(xué)上表征了細(xì)胞壁長(zhǎng)度的非線性增加。

Ci:介紹了受多層墻-隔板微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的級(jí)聯(lián)共振板設(shè)計(jì),并引入了耗散孔。

Cii:基于級(jí)聯(lián)共振的異質(zhì)設(shè)計(jì),將超材料分為兩個(gè)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(tài)細(xì)胞壁控制。

Di:提供了超材料和彎曲細(xì)胞壁的示意圖。

Dii:展示了具有四個(gè)彎曲級(jí)別的細(xì)胞壁形態(tài):直線墻和A0 = 0.5、1.0和1.5。

E:描述了弱耦合設(shè)計(jì)方法:對(duì)于吸收聲波能量重要的元素/單元,但對(duì)于吸收應(yīng)力波能量可以忽略不計(jì),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(shù),以Ti6Al4V合金為材料進(jìn)行加工。

激光功率設(shè)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(lái)。


2.材料參數(shù)測(cè)定:

在Instron       8501設(shè)備上進(jìn)行拉伸測(cè)試,以確定材料參數(shù)。

得到的材料參數(shù)包括彈性模量Es、初始屈服強(qiáng)度σ0、泊松比ν和密度ρs。


3.吸聲測(cè)量:

使用標(biāo)準(zhǔn)雙麥克風(fēng)設(shè)置(SKCZT13),遵循ISO10534-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量。

樣品直徑為30毫米,固定在樣品架上。

測(cè)試頻率范圍從0.8 kHz到6.3kHz。


4.機(jī)械性能測(cè)量:

使用Shimadzu  AG25-TB萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。

樣品以0.002  s–1的應(yīng)變率進(jìn)行軸向準(zhǔn)靜態(tài)加載。

壓縮方向與SLM構(gòu)建方向平行的一對(duì)面對(duì)齊。

使用數(shù)字相機(jī)記錄變形模式。


5.有限元方法(FEM):

開發(fā)有限元(FE)模型,使用COMSOL Multiphysics軟件。

對(duì)于吸聲特性,使用熱粘性聲學(xué)模塊,并結(jié)合邊界層理論。

對(duì)于壓縮模型,模擬多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的塑性大應(yīng)變變形。

通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。


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圖2 超材料樣件及實(shí)驗(yàn)測(cè)試吸聲性能


第四章 結(jié)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(shù)α在1.0至6.0kHz的頻率范圍內(nèi)超過0.77,最高平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.80,77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(yuǎn)超一般趨勢(shì),表明了其在吸聲效率上的顯著優(yōu)勢(shì)。


2.物理機(jī)制:

MBAMs由兩個(gè)并行的共振系統(tǒng)組成,每個(gè)系統(tǒng)都包含三個(gè)級(jí)聯(lián)的共振單元。這些共振單元對(duì)整體設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)在于它們提供了不同的表面阻抗,從而增強(qiáng)了吸聲性能。

通過耦合模式理論,分析了共振器的反射系數(shù),揭示了在“臨界耦合"條件下,即輻射衰減率等于內(nèi)在損耗率時(shí),實(shí)現(xiàn)了吸聲。


3.剛度、強(qiáng)度、損傷容限和能量吸收:

通過軸向壓縮測(cè)試,研究了MBAMs的機(jī)械響應(yīng)。結(jié)果顯示,隨著細(xì)胞壁彎曲級(jí)別的增加,材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出更溫和的軌跡,有效減輕了嚴(yán)重故障。

MBAMs在A0 =1.0時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的比能量吸收(SEA),達(dá)到了50.7J/g,比直線墻設(shè)計(jì)提高了558.4%。


4.變形和增強(qiáng)機(jī)制:

通過實(shí)驗(yàn)和有限元方法(FEM)分析了MBAMs在不同壓縮應(yīng)變下的變形模式,發(fā)現(xiàn)MBAMs能夠從災(zāi)難性故障轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕膿p傷容限逐層變形模式。

應(yīng)力分布集中在最大曲率區(qū)域,這有助于定向應(yīng)力傳播,提高有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移,并促進(jìn)墻體間的相互作用,從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。


5.研究框架和前景:

提出了一個(gè)研究框架,用于設(shè)計(jì)具有聲學(xué)和機(jī)械性能的多功能超材料,包括弱耦合和強(qiáng)耦合兩種設(shè)計(jì)方法。

討論了未來(lái)值得探索的領(lǐng)域,如新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和功能,以及這些多功能材料在建筑和運(yùn)輸行業(yè)中的實(shí)際潛力。


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圖3 吸聲頻譜特征及物理機(jī)制

開展單軸準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn),對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)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(duì)其宏觀力學(xué)性能也影響極大,這不僅體現(xiàn)在實(shí)測(cè)所得關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)上(圖4B),應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)率差異也尤為明顯(圖4C)。這表明,豎直胞壁存在應(yīng)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(duì)于文中所設(shè)計(jì)的曲壁超材料,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動(dòng)小、塑性變形更為穩(wěn)定;此外,文中繪制了密度-剛度、密度-強(qiáng)度、等效密度-比吸能圖,用于評(píng)估所提超材料的實(shí)驗(yàn)所測(cè)力學(xué)性能(圖4Di-Diii),結(jié)果表明其各項(xiàng)性能表現(xiàn)較優(yōu)。


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圖4 單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得超材料力學(xué)性能



文中對(duì)比了實(shí)驗(yàn)與模擬所得直壁、一組代表性曲壁構(gòu)型的塑性變形模式(圖5A),分析了軸向局部曲度特征帶來(lái)的機(jī)械魯棒性提升行為,驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型準(zhǔn)確性(圖5B),并進(jìn)一步通過應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變、拉-壓應(yīng)力分布特征闡述了所提超材料的大變形抗損傷增強(qiáng)機(jī)制(圖5Ci-Cii);基于實(shí)驗(yàn)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(qiáng)機(jī)制:在達(dá)到屈服點(diǎn)后,曲壁胞元產(chǎn)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(yīng)力傳遞,隨著載荷持續(xù)增加,已坍塌和未坍塌胞元間的接觸與支撐作用進(jìn)一步增強(qiáng),宏觀上呈現(xiàn)為溫和型漸進(jìn)破壞模式。


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圖5 力學(xué)響應(yīng)與變形機(jī)制


第五章:結(jié)論


作者總結(jié)了他們的研究發(fā)現(xiàn),并強(qiáng)調(diào)了所提出的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料(MBAMs)的重要性和潛在應(yīng)用。


1.創(chuàng)新材料介紹:

研究介紹了一類新型的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料(MBAMs),這些材料以烏賊骨微觀結(jié)構(gòu)為靈感,采用弱耦合設(shè)計(jì)方法。


2.聲學(xué)性能:

MBAMs在1.0至6.0 kHz的寬頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)出了的吸聲性能,平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.80,且有77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jī)制:

通過異質(zhì)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合效應(yīng),MBAMs實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)混合共振,這是其吸聲性能的基礎(chǔ)。


4.機(jī)械性能:

除了優(yōu)異的吸聲性能,MBAMs還展現(xiàn)出了超高強(qiáng)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(qiáng)度211MPa和比能量吸收50.7J/g。


5.設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景:

這些多功能材料不僅在實(shí)驗(yàn)室中具有潛力,而且隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步,它們有望被集成到各種大規(guī)模工程項(xiàng)目中,特別是在建筑和運(yùn)輸行業(yè)。


6.研究框架:

作者提出了一個(gè)研究框架,用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化聲學(xué)和機(jī)械性能的超材料,這為未來(lái)的研究和開發(fā)提供了方向。






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圖6 聲-力多功能超材料研究框架


綜上所述,MBAMs在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域架起了一個(gè)重要的橋梁,它們不僅在理論上具有創(chuàng)新性,而且在實(shí)際應(yīng)用中也具有巨大的潛力。這些超材料的設(shè)計(jì)和制造為解決實(shí)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(lái)的材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。



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