Small:兼具优异声能和机械能吸收特性的微晶格超材料

以增材制造(AM)技术为代表的各种前沿制造技术的发展,为各类超材料制造奠定了基础,极大地推动了超材料的多功能化进程。微晶格是外形上呈三维开放的蜂窝聚合物结构,因超轻、高强等优势被广泛用作超材料基体结构,并作为功能材料被开发应用至光、热、声等多个科学领域,根据其构型可分为桁架结构、三维周期最小曲面结构及板面结构。与其他结构相比,板面微晶格的比强度、比刚度优势明显,但由于其闭孔性质, 3D打印产品中存在严重粉末残留。

针对吸声超材料的开发和设计中,其力学特性往往被忽略,但在实际工程应用中往往要求此类材料同时具备吸声、轻质、抗冲击等特性。针对吸声及抗冲击的耦合难题,新加坡国立大学机械工程系ZHAI Wei助理教授团队开发了一种基于微晶格构型的声-力超材料,能高效地实现声能和冲击能吸收。结果显示,这种新型的超构材料吸声系数在某频率段能达到1,在密度为2.31 g/cm3下的比吸能高达到50.3 J/g。该研究在板面微晶格设计中引入孔隙,这种设计也巧妙地构成了腔-孔一体的“类亥姆霍兹共振器”,通过亥姆霍兹共振拓展的“级联共振单元理论”揭示了该超材料的内在物理机制,并通过屈曲变形模式分析阐明了其冲击响应特性。研究表明,吸收系数的特性主要受孔和腔的几何参数作用,其优异力学性能反过来又来自于板结构近似的膜应力状态和基材优异的延展性和强度。

该研究为开发同时具备优良声能吸收和冲击能吸收的声-力超材料提供了新的设计理念和更多可能性。相关研究已发表在Small上,第一作者为LI Xinwei博士,通讯作者为ZHAI Wei助理教授。

论文信息:

Microlattice Metamaterials with Simultaneous Superior Acoustic and Mechanical Energy Absorption

Xinwei Li, Xiang Yu, Jun Wei Chua, Heow Pueh Lee, Jun Ding, Wei Zhai*

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