声学超构材料技术实用化的进展

声学超构材料是当前声学和材料学一个热门的研究领域。声学超构材料可定义为:通过对材料在特征物理尺度上进行人工设计制备,使其具有超越常规材料的声学性能的一种人工序构的复合材料。其亚波长特性、超常声学性能以及颠覆性应用的可能吸引了学界和工程界的关注。21世纪以来,随着增材制造技术的发展,声学超构材料的实验室加工与制备问题得以解决,然而,声学超构材料的工程应用仍然面临着批量制造困难、使用场景不明、生产成本高昂等方面的严峻挑战。介绍了各类常见的声学超构材料及其研究现状,讨论各类声学超构材料实用化面临的困难和挑战,简述声学超构材料研究和实验的最新方法,最后展望了未来声学超构材料实用化研究的方向。

一种具有宽频效应的声学超构材料

通过周期性排布具有不同谐振频率的亥姆霍兹共振器,构建了一种宽频带负体弹模量的声学超构材料.首先基于局域共振理论和有效媒质理论,阐述了负有效体弹模量产生的机理并给出了理论表达式,然后利用有限元仿真得到了该超构材料的透反射系数,并用提取参数法计算了有效体弹模量.结果表明,设计的超构材料在673-1245 Hz的宽频范围内实现了负有效体弹模量.这种设计思路为构建宽频带负声学参数超构材料提供了一种新途径.

多频带声学超构材料的透射性能

为了研究多频带声学超构材料的透射性能,采用声学有限元方法(FEM)模拟不同长度的OE-CE(一端封闭一端连通)空心方管结构单元的声透射谱,分析讨论管长对透射谱的影响,设计出一种占空比较小的由不同长度OE-CE空心方管并联组合的多频带声学超构材料板。结果表明:嵌有9个空心方管声学超构材料的声透射曲线出现声透射阻带,随着空心方管的长度增加,透射阻带峰值和负等效质量密度频带向低频方向移动;透射阻带的个数与不同长度的空心方管数目有关,即2种不同长度的空心方管并联组合的声学超构材料板可以实现2个透射阻带,3种不同长度的则可以实现3个透射阻带;宽频带声学超构材料板则需要在较低频率区域增加对应长度的空心方管数目,在较高频率区域减小相邻空心方管的长度梯度。所提出的采用OE-CE结构单元构建的声学超构材料具有结构简单、响应频带低的优点,并在多个响应频带具有优异的声学透射阻带特性。

亥姆霍兹共振器孔径长度对声学超构材料性能的影响

以亥姆霍兹共振器为结构单元构建声学超构材料,研究亥姆霍兹共振器开口孔径长度对声学超构材料的谐振频率、吸声性能及负体弹模量的影响.通过传递函数法得到声学超构材料的透射曲线;通过提取参数法得到声学超构材料的有效体弹模量.仿真计算结果表明,声学超构材料的谐振频率随开口孔径长度的增加而降低.通过改变HR的孔径长度,声学超构材料分别实现了中心频率为2 200Hz和1 660 Hz的深度吸声,并在相应频率附近实现了负有效体弹模量.

关于声学超构材料名词术语的探讨

近30年来,声学超构材料领域的理论与技术不断成熟与完善。以增材制造技术、飞秒激光加工等为代表的各种先进制造技术的发展,为复杂的声学超构材料的数字化设计制造奠定了基础,极大地推动了这类材料的实用化进程。这些发展吸引了学术界和产业界对声学超构材料的极大关注,因此,研讨声学超构材料领域的一些基本术语和概念,以方便学术界、研究机构和企业界之间的交流、沟通和讨论是十分必要的。从基础研究的科学概念出发,探讨了声学超构材料的定义、分类及其标准、研究手段与应用方向等有关声学超构材料的名词与术语,希望能够为建立声学超构材料有关技术标准提供一些有益的建议,供有兴趣的专家参考。

基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控

提出了一种基于石墨烯带的太赫兹波段的1 bit编码超构材料,可以实现太赫兹波束的数目、频率、幅度等参数多功能动态调控.该结构由金属薄膜、聚酰亚胺、硅、二氧化硅、石墨烯带组成.通过对石墨烯带施加两种不同的电压,可以实现一定频率范围内相位差接近180?的"0"和"1"数字编码单元,进而构成1 bit动态可控的编码超构材料.全波仿真结果表明,不同序列的编码超构材料能够实现波束数目从单波束、双波束、多波束到宽波束的调控.相同序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压能够实现宽频段波束频率的偏移.对于000000或者111111周期序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压还能够实现波束幅度的调控.因此这种基于石墨烯带的编码超构材料为灵活调控太赫兹波提供了一种新的途径,将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.

声学超构材料及其物理效应的研究进展

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,进一步拓展了材料的声学属性.同时,声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控,以及许多新颖奇特的物理现象,如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等,具有重要的理论研究意义和应用价值.另外,拓扑材料的研究已延伸至声学领域,声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点,受到人们的广泛关注.其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性,应用潜力巨大.本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况,介绍了相关的代表性工作,包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等,阐述了声学超构材料的设计理念和方法,并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结.

热学超构材料

热学超构材料是超构材料家族的新成员，本文对热学超构材料的最新进展进行了简要介绍，着眼于与其相关的基本理论以及热学超构材料的新奇性质，如热学隐身衣，热学二极管，热幻像等。

局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法

五模超构材料是一类具有固体结构与"流体"特性的人工微结构,由于较好的压缩波与剪切波的解耦合能力、较低的填充率、丰富的晶格构型及可调参数较多等特点,在声波/弹性波隐身衣、声学波导、声学超构表面等声波调控领域具有潜在应用。由单质材料组成的五模超构材料可以被看作是布拉格散射型的声子晶体,其工作频率在高频波段,而目前针对低频声波调控的五模超构材料的研究还比较少。从3个部分介绍局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法和研究进展:首先,对五模超构材料的基本概念及国内外研究现状进行介绍;其次,对两种局域共振型五模超构材料的设计及数值计算过程、能带结构及带隙调控方法进行介绍;最后,对五模超构材料的样件加工技术及测试手段进行介绍,并对局域共振型五模超构材料研究中亟待解决的科学及工程问题进行总结及展望,期望为后续五模超构材料在低频声波控制领域的研究及工程应用提供参考。

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.

隔声超构材料的研究进展

声学超构材料的概念起源于局域共振型声子晶体。作为一种新型复合人工结构材料,声学超构材料具备许多优异的特性,如相对于传统隔声材料可以灵活、精准地操控声波,采用小型化、轻质化的结构解决宽频带、低频隔声等问题。本文综述了声学超构材料在隔声方面的最新研究进展,从带隙理论和表征参数出发论述了声学超构材料隔声机理,重点介绍了相关代表性工作,包括Helmholtz式隔声超构材料、薄膜薄板式隔声超构材料、折叠卷曲空间式隔声超构材料以及组合式隔声超构材料的设计理念和方法,最后对这一新兴领域的应用进行了展望。

可调谐的负等效质量密度声学超构材料实验研究

结构简单和宽频响应是负等效质量密度声学超构材料(Acoustic metamaterial,AM)的重要研究目标.本文基于局域共振理论设计了一种结构简单的空心管实验模型,利用声学传输线理论证明其谐振频率与空心管内径密切相关.实验测试的3种不同内径空心管AM的透射曲线分别在1550 Hz,1400 Hz和1300 Hz处出现透射低谷并伴随相位扭折,表明空心管AM在对应的频率附近发生谐振,且符合随内径增大谐振频率降低的理论结果.利用提取参数法实现了3种AM分别在1143~1662 Hz,998~1492 Hz和845~1352 Hz时的负等效质量密度.通过模拟声场分布阐述了空心管AM负等效质量密度形成的物理机制.空心管结构的提出为设计结构简单、宽频响应负等效质量密度的AM提供了一种可行的模型.

非线性光学超构材料

在线性光学范畴下,光学超构材料等人工结构材料的出现与发展使得人们在控制光与物质的相互作用方面拥有更多自由度。例如,利用人工设计的功能单元可在亚波长尺度对光的振幅、相位和偏振进行灵活有效的调控,从而实现超透镜、负折射、隐身衣等新奇光学效应。通过调控超构材料中光的几何相位、局域电磁增强等物理机制,可实现光与物质相互作用的显著增强,为实现非线性微纳光学光源及其应用开启了新的大门。围绕近年来光学超构材料在光学频率转换、超快光开关与光调制、以及非线性相位调控等方面的研究进展进行了总结,并对非线性光学超构材料在未来应用中的前景和所面临的挑战进行了展望。

古建筑建构材料火灾隐患及防火对策

针对南京4处典型古建筑(鸡鸣寺、净觉寺、大成门和阅江楼)进行实地专项调研,总结其主流材质建构造材料的运用方式、存在现状、采取的保护措施,分析其在火灾荷载方面存在的火灾隐患。提出了移动火灾荷载登记台账和监控、基于火灾危险源辨识的应急预案和决策支持管理、植物性阻燃液/膨胀型防火涂料/快速固化成型复合技术和纳米复合杂化涂层等技术性防火理念和对策。

可调谐光学超构材料及其应用

光学超构材料是由亚波长功能单元组成的新型人工结构材料,拥有天然材料所不具备的新颖光学特性。利用光学超构材料可以灵活调控光波的传播特性,可实现负折射、隐身、单向传输等新奇的光学现象。传统的光学超构材料通常具有固定的几何结构和不变的材料特性,其光学性能难以改变,限制了光学超构材料器件的可调谐性。近年来,人们通过特殊材料或者结构来设计光学超构材料,实现了对光波的动态调控。本篇综述主要围绕活性材料(如变容二极管、液晶、相变材料、石墨烯等)和结构重构(微机电系统、柔性可拉伸材料等)这两种调控机制,介绍了可调谐光学超构材料领域的研究进展,分析了基于不同调控机制的可调谐光学超构材料的特点,阐述了可调谐光学超构材料在未来应用中所面临的挑战,并展望了可调谐光学超构材料的发展前景。

光学超构材料芯片上类比引力的研究进展

光学超构材料是一种人工设计的微结构材料,它的出现打破了传统材料设计思维的局域性,为在微纳尺度上人为调控电磁波提供了新的范式,实现了具有超越自然界常规材料的光学性质.尤其是超构材料具有将光和电磁辐射耦合到亚波长尺度的能力,满足了高速发展的现代科学技术对光学元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求.因此,基于超构材料的光子芯片带来很多令人鼓舞的应用,如突破衍射极限的完美成像、多功能的集成光学器件等.更有意思的是,超构材料光子芯片还可以用来模拟一些广义相对论的现象,尤其是探索一些尚未被实验证实的与引力相关的现象.本文从不同类型的超构材料芯片出发,简要介绍了在光学超构材料芯片上开展的类比引力的研究,最后对其发展现状、优势与面临的挑战进行了相应的总结与展望.

还原论视角下的时变超构材料构建与等效媒质理论研究

等效媒质理论是从微观角度出发,根据复合材料的结构特点,研究其宏观意义上材料参数的方法。将空间等效媒质理论推广到时间等效媒质理论,以时变声学超构材料为例,从理论上推导超构材料的材料参数在时间上以高频率调制时,其等效参数形式。基于还原论思想,在COMSOL Multiphysics数值仿真软件中设计时变人工原子进而构建时变超构材料,从数值上验证时间等效媒介公式的正确性,进而扩展等效媒质理论体系。

跨尺度光热超构材料:机理、调控与应用(特邀)

超构材料多自由度、多物理场调控与功能集成是近年来物态调控与纳米前沿领域共同的研究热点。光与微纳结构相互作用研究使得人们对光的调控能力不断增强,也逐渐拓展到光-热、光-化学、光-机械等多物理场且多功能集成调控的领域,具有重要的科学意义和应用前景,而后者也对超构材料的制造加工提出了更高要求。以金属等离激元光热超构材料为例,总结近年来三维自组装跨尺度超构材料光热调控的研究现状、调控机理及其潜在的应用领域,并在此基础上总结目前存在的问题,对未来发展方向进行展望。

STFE膜材力学试验与材料本构研究

STFE膜材是一种新型建筑膜材料,它具有良好的透光和透景性能,并且有较高的抗拉强度,可用于大跨度张拉结构中。本文针对这种新式膜材料,基于国内检测标准改进了单、双轴力学试验方法,并测定了其弹性模量、泊松比、剪切模量、徐变伸长率等力学参数。进一步地,提出了描述STFE膜材应力-应变关系与短期时变(徐变、应力松弛现象)力学性能的材料本构模型。试验结果表明,STFE膜材相对于传统织物涂层膜材,拥有更高的弹性模量和同等水平的徐变伸长率,相对于同样透光透景的ETFE膜材,STFE膜材的强度为其6~7倍,弹性模量为其6倍以上,且徐变伸长率不到其15%。综上所述,STFE膜材具有优异的建筑表现效果和力学性能,适合作为透明张拉膜结构的建筑材料。

经验整合:幼儿自主游戏材料创构能力提升策略

在幼儿自主游戏受到普遍重视和推广的背景下,众多幼儿园致力于探索游戏新模式,却忽略材料所蕴含的无穷价值,很多幼儿园在自主游戏探索中也困于材料投放略“混乱”、使用偏“固定”、展示常“忽略”的现状,基于此,我们以材料为依托,采用三大点九小点的策略,用无形的手创造性地构建材料新样态,撑起游戏质量。让幼儿用自己的思维方式选择材料、空间等,调动多感官建构,于材料的投放、使用、展现中促进其逻辑思维与创造力发展。