超材料高研基礎(chǔ)原理微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用探索

波動(dòng)力彈 材 團(tuán) 開宇航學(xué)院院國家基金委創(chuàng)

從事復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)、聲波/彈 構(gòu)材和波動(dòng)控制研2003年獲國家杰出青年科學(xué)基2004年 優(yōu)秀教師稱2006年獲中國力學(xué)學(xué)會(huì)第九屆青年科技有關(guān)聲波/彈 構(gòu)材料研究工作超構(gòu)材料基金委雙 報(bào)超構(gòu)材料國際暑期學(xué)校（意大利）授課ICoEV2015（國際振動(dòng)會(huì)議）大會(huì)報(bào)中國力學(xué)大會(huì)-2013大會(huì)報(bào)Elsevier2014-2017年中國高被引學(xué)2

教授/博導(dǎo)

教授/博 /博博士后：2人(1人博新計(jì)劃)

3

二、聲/彈 材料設(shè)計(jì)原4

??

???

Pendryetal.(2006),Science,312, Schurigetal.(2006),Science,314,

StructuralOilLamb

??damageimage

7

Negativemass

Traditional

a0a0<<a<<Metamaterialsareartificialcompositeswithpropertyeasilyfoundin

0F2 0F21002Drudemodel：Drudemodel：(1pe02)Pendry(1996),Phys.Rev.Lett,76,

Shelbyetal,Science,

m0

m Liuetal(2000),Science,Fangetal(2006),NatureMaterials,5. Wuetal(2011),

二、聲/彈 材料設(shè)計(jì)原聲/彈 材料設(shè)計(jì)原Liuetal,Science, >>a,低頻 質(zhì)量-彈簧超材料設(shè)

MiltonandWillis(2007),PRSA,463, HuangetalIJES,負(fù)等效質(zhì)

mm2m1 02負(fù)質(zhì)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

Connecting

Springm

SpringAir

Post

YaoetalNJP,負(fù)質(zhì)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

Frequency Frequency6

0

2Lorentz模型

1

Drude模型

m01 00 220

2meffmeff FrequencyFrequencyFrequencyFrequency 00.00.20.40.60.81.0-

0.00.20.40.60.81.0-

各向異性密度超材料設(shè)

-

meff,

meff,

等效密度張Huangetal.PhilosophicalMagazine2011

Zhuetal,IJES,Liu,Zhuetal,WaveMotion,負(fù)模量超材料設(shè)

FFAF ?2k1kcos2202k1kcos22022

2??/11o1202k2 / Liuetal.APLLiuetal.JMPS雙‘負(fù)’超材料設(shè)

m,2FF12

x(n1)22201x(n)22201

kcos2

122 121121120

F(n)k12

x(n1)x(n)

x(n)

(n)

1112F F mm2 21 22k02kcos2122I,212Liuetal.JMPS雙‘負(fù)’超材料設(shè)

舉個(gè)例子 km1

L=0.1,R=0.08,α=π/6,m1=0.2,m2=0.3,I=0.0015,k1=0.2,220k2220 1

2 2kR22

2kcos22121‘負(fù)’超材料的固體實(shí)

2 2nd 1st流體實(shí)現(xiàn) 固體實(shí)現(xiàn)1212

=??1 +

???1

??

(??1+

?1

m 1 m

1

/1 2 1

2 m 2

/

Torrentetal.(2010)PRL,105,

Miltonetal.(2007)Proc.R.Soc.A,363,855-880.Huangetal.(2011)Philos.Mag.91,981-996.Liu,Zhuetal.(2012)WaveMotion49,411-各向異性密度超材料設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)設(shè) 微結(jié)MATERIALaMatrix:Coating:Core:Mass??????????????????????????????????????ΦZhuetal,PRB, （定性驗(yàn)證

沿x1方 沿x2方（定量驗(yàn)證

Sensorpairtransform(CWT) ?????????,?? ???? )?? Sensorpair群速度計(jì) 相速度計(jì)???

??(??)????(??)=??0/[Δ??(??)

(Δ??

Δ??

???)) ??是兩組壓電傳感器信號間的相位差,可??是兩組壓電傳感器信號間的相位差,可

??1 =????????

=????????/[????2

環(huán)氧樹脂+硅橡膠+t =Coatingthickness=Core

===

V

F1VV

uds

U1u

S 12/ 1 /E2F/超材料單胞內(nèi)的局部場可由 邊界施加簡諧位移激勵(lì) E

準(zhǔn)靜

負(fù)峰

正峰 = = = =

雙負(fù)頻率范圍riblength=3.8mmρ =θs=

E=200GPav=0.3

二、聲/彈 材料設(shè)V(t)A[1cos(2fct)]sin(2ft 50 彈性波負(fù)折射仿

fc=43.8eff=-5891eff=-2.18彈性波正折射仿fc=30eff=eff=24.2

EMMEMMPZTPZTPolytecPSV4003DPolytecPSV4003D30oo 數(shù)值模

0arctankykx

實(shí)驗(yàn)測量結(jié)

等頻率 散度 旋度 GreendashedBluedottedRed

steelsteelOnlyshearwaverefractedφ=

f=

等頻率 散度 旋度 f=

進(jìn)行彈性材料各向高精度損傷成像與識yxyx提高信噪比途聚焦增強(qiáng)彈性波信號,active傳

利用聲子晶體梯度排列聚技術(shù), 時(shí)間反演技術(shù),IngandFink,

FocusingLambwavesusingperforatedgradientindexphononiccrystalplate,Zhaoetal.,2012.聚焦算法YuandLeckey

彈性波平板聚

zy43Highρ210zy43Highρ210 0 3 m微結(jié)構(gòu)尺寸a=5r=2mm,h=1.5mm,hp=0.59鉛柱高度梯度變xyxyYan,Zhuetal,APL, 薄鋁

壓電激勵(lì)單 -

PZT5Hd31type壓電陣列產(chǎn)生 2fV(t)P[H(t)H(t /f)](1cos c)sin2f

f=30N N 1.7187×101.7187×10-2.6816×10- 波產(chǎn) 波向焦點(diǎn)彎-2.6705×10-3.1719×10-

-1.7674×10-2.2260×10-波在焦點(diǎn)處聚 波過焦點(diǎn)后發(fā)-2.9546×10- -2.1092×10-Yan,Zhuetal,APL, 彈 ????,??,??, ????,

??????????+??????+??????????? ???? ??2

??2+ ????,????

??2+

=

??′=

??2+??2 ??2 到近場

yyyyxx

Lead各向異性密度超材料微 Lead

meff,

meff,H.H.Huangetal.PhilosophicalMagazine

Zhuetal.PRB86144307a單一材料各向異性密度微結(jié)構(gòu)設(shè)aHorizontalZhuetal,JASA, 雙曲線形狀等頻率Zhuetal,JASA, 折紙超材料（單胞0.4mmAluminum折紙超材料（多胞各向異性密度（彎曲波yx110.4????×????18

0

彎曲波指向PZTdiskpair(top1/4彎曲波指向

f=f= f=彈性波

Layer1Layer1234567No.of7(top+,bottom-)彎 分

1mm1mmλ=41mm(f=兩個(gè)壓電激勵(lì)源間距為：1/3f=

f=手性蜂巢結(jié)

（-Prall&Lakes,IJMS,Spadonietal.,WM,

Liuetal.,Science,同同時(shí)針對波與S波的低頻禁不被改變的高頻段帶結(jié)輕質(zhì)材料中實(shí)現(xiàn)低頻隔振同時(shí)不增加體 43210

3210

b2b2BO OB 手性蜂巢結(jié)構(gòu) 含嵌 L/R L/R0.6R手R手性性微微

3蜂 2蜂巢2巢 1 1參 00

O 填填充充圓圓柱柱密密度度影影響響0.20.40.60.81.01.21.41.61.8c

圓 圓柱柱 影 影 crcPointAPointuyPointAPointuy0AWB- -0O O OFRFInclusionInclusionuy0AHW=810mm(32Unitells) O O- PointPointPoint （waterjet）

單種諧振單元（不同層數(shù) 兩種諧振單元分區(qū)排彈性薄板隔

單一材料胞元設(shè)實(shí)驗(yàn)搭

微結(jié)構(gòu)優(yōu)出面彎曲振 面內(nèi)縱向振15.6毫Zhuetal,PLA,15.6毫“雙負(fù)”—負(fù)折射ρ超材料具有窄帶與不可調(diào) j

j k k k 0C CRHuang,SunandHuang,IntJEng.Sci,

I YD

sΑdii

S d

T T

sΑd d

T壓電材料--力電耦

HagoodandFlotow,JSoundVib.,

EpEp EEpTp 1 T2p Cp pCp

2kd kd E11

CTpCT

負(fù)電容電路控制的彈jjjj mk1k1k11k1kmkkmm pnE p TCT 2pnkk2TC EpCT Tp 2nD b 2b pp6 p 2Eb3cc主動(dòng)超結(jié)構(gòu)單胞實(shí)

TektronixDPO4043BDigital

InstekSPD-3606DCPowerShuntedFunctionGeneratorLDSv201單 頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)f0andf0=671.5主動(dòng)超材料多胞實(shí)ShuntedMetamaterial

InstekSPD-3606DCPowerSupply

B&KAll-in- LDS

45%Zhuetal,AppliedPhysicsLetter,108,011905 水平主軸（xx）調(diào)控率 垂直主軸（yy）調(diào)控率 負(fù)電容比:λ=CN/Zhuetal,JASA, 彎曲波信號放大實(shí)驗(yàn)測原始信板厚:0.4mm中心頻率:放大Y.Y.Chen,R.Zhu,G.L.Huang*etal.,Sci.Rep.6,35048 結(jié)構(gòu)Zhu*andHu*etal,SR, 水 橡膠G/K很

?

??完美? 具有相同等效屬性的材

1000(kg/m3),K 彈性材料分

C

K

SS

Kelvin

CC6 P ?根 的主值數(shù)目，我們可以定一模（uni-mode）,兩模（bi-…，五模（penta-mode）材?水是一直特殊的五模材料

五模超材料設(shè)

4400(kg/m3

sEs

C

v

K

0 22 22GG 12

121000