【3D打印仿生超材料】多功能仿生超材料聲-力性能高效設計及調控方法

在航空航天、軌道交通、建築製造等眾(zhong) 多工程領域，噪聲和衝(chong) 擊危害無處不在，迫切需要能夠同時吸收聲音和應力波能量的材料。針對這一挑戰，香港大學陸洋教授、中南大學王中鋼教授和香港理工大學餘(yu) 翔助理教授合作開展研究，以烏(wu) 賊骨為(wei) 靈感，通過弱耦合設計，提出了具有的吸聲和機械性能的生物啟發型結構化超材料。該超材料通過選擇性激光熔化（SLM）增材製造技術製造，使用高強度Ti6Al4V合金。Ti6Al4V合金提供了高強度、耐腐蝕性和高溫性能，有助於(yu) 穩定的吸聲。實驗結果表明：所提超材料實現了緊湊尺寸下寬帶高效吸聲(1.0至6.0 kHz平均吸聲係數0.8)，且其非線性曲壁特征引導了塑性段穩定漸進變形而非直壁構型的大麵積解體(ti) 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(wei) 題，發表在期刊NPG Asia Materials上。

一、研究背景

在實際工程中，噪聲和衝(chong) 擊波的危害普遍存在，這促使人們(men) 尋求能夠同時吸收聲波和應力波能量的材料。作者指出，設計這種多功能材料是一個(ge) 挑戰，因為(wei) 它需要同時優(you) 化材料的吸聲和機械性能。例如，在航空航天工程中，吸聲襯墊不僅(jin) 要減少噪音，還要能夠承受潛在的局部衝(chong) 擊。

為(wei) 了解決(jue) 這一挑戰，研究人員開始探索模仿自然界生物結構的先進材料設計。增材製造技術的發展促進了生物啟發型超材料的興(xing) 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，研究人員一直致力於(yu) 提高傳(chuan) 統材料如穿孔板、泡沫和織物的吸聲效率，開發了多種新型吸聲超材料和先進的多孔材料，如氣凝膠和石墨烯泡沫。

然而，研究人員麵臨(lin) 著在高強度和寬帶吸聲之間找到平衡的難題。文章提出，為(wei) 了實現理想的機械波能量吸收材料，需要一種新的設計方法。這種方法靈感來源於(yu) 烏(wu) 賊骨的微觀結構，它具有固有的強度、韌性和可適應的細胞特征。烏(wu) 賊骨的“牆-隔板"結構和細胞壁的不對稱彎曲模式為(wei) 設計吸聲器提供了潛力，並且在力學中很重要。

文章介紹了通過選擇性激光熔化（SLM）增材製造技術製造的多功能生物啟發型結構化超材料（MBAMs），這種材料使用高強度的Ti6Al4V合金。這些超材料在實驗中顯示出了優(you) 異的吸聲性能，平均吸聲係數為(wei) 0.80，且在21毫米的緊湊厚度下，77%的數據點超過了0.75的閾值。此外，這些超材料還展現出了機械性能，包括高模量、高強度和超高的比能量吸收。這項研究為(wei) 設計具有理想聲學和機械性能的多功能材料提供了新的視角。

二、設計原則

研究介紹了如何從(cong) 烏(wu) 賊骨的微觀結構中汲取靈感，設計出具有吸聲和機械性能的生物啟發型結構化超材料（MBAMs）。

1.自然微觀特征：

烏(wu) 賊骨的“牆-隔板"微觀結構通過掃描電子顯微鏡（SEM）揭示，展示了其堅固的多室結構和波動的細胞壁。

烏(wu) 賊骨細胞壁的非線性彎曲特征被特別強調，這種特征在以往的研究中常被忽視，但對於(yu) 力學性能至關(guan) 重要。

2.異質吸聲材料：

設計了三層級聯的共振板，並在其中引入了耗散孔，以提高吸聲效率。

基於(yu) 級聯共振的概念，設計了異質結構，將超材料分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 並行部分（Part 1和Part2），每個(ge) 部分都包含三個(ge) 串聯電路，形成了多模態混合共振係統。

3.彎曲細胞壁：

細胞壁的設計模仿了烏(wu) 賊骨的自然曲率，並且結合了水平方向的正弦波模式，以增強吸聲性能。

不同的彎曲級別（如直線牆和不同的A0值）被用來研究其對材料性能的影響。

4.弱耦合設計方法：

提出了一種“弱耦合"設計方法，允許聲學和機械單元幾乎獨立設計，從(cong) 而實現高度定製化的聲音和應力波能量吸收性能。

這種設計方法使得吸聲性能由共振板的幾何形狀和排列模式控製，而對軸向機械性能影響不大；反之，細胞壁的形狀決(jue) 定了應力波能量吸收，但對吸聲性能影響甚微。

第三章：材料製備方法

1.樣品製造：

使用選擇性激光熔化（SLM）技術，以Ti6Al4V合金為(wei) 材料進行加工。

激光功率設置為(wei) 500W，打印層厚度為(wei) 60微米，掃描速度為(wei) 1200毫米/秒。

去除殘留的粉末，材料從(cong) 基板上切割下來。

2.材料參數測定：

在Instron       8501設備上進行拉伸測試，以確定材料參數。

得到的材料參數包括彈性模量Es、初始屈服強度σ0、泊鬆比ν和密度ρs。

3.吸聲測量：

使用標準雙麥克風設置（SKCZT13），遵循ISO10534-2標準進行吸聲係數測量。

樣品直徑為(wei) 30毫米，固定在樣品架上。

測試頻率範圍從(cong) 0.8 kHz到6.3kHz。

4.機械性能測量：

使用Shimadzu  AG25-TB萬(wan) 能試驗機進行壓縮實驗。

樣品以0.002  s–1的應變率進行軸向準靜態加載。

壓縮方向與(yu) SLM構建方向平行的一對麵對齊。

使用數字相機記錄變形模式。

5.有限元方法（FEM）：

開發有限元（FE）模型，使用COMSOL Multiphysics軟件。

對於(yu) 吸聲特性，使用熱粘性聲學模塊，並結合邊界層理論。

對於(yu) 壓縮模型，模擬多細胞結構的塑性大應變變形。

通過應力-應變曲線驗證模型的準確性。

第四章 結果和討論

1.超常、寬帶、高效的吸聲性能：

MBAMs展示了聲音吸收能力，其平均吸聲係數α在1.0至6.0kHz的頻率範圍內(nei) 超過0.77，最高平均吸聲係數達到0.80，77%的數據點超過了0.75的閾值。

盡管厚度僅(jin) 有21毫米，MBAMs的吸聲性能卻遠超一般趨勢，表明了其在吸聲效率上的顯著優(you) 勢。

2.物理機製：

MBAMs由兩(liang) 個(ge) 並行的共振係統組成，每個(ge) 係統都包含三個(ge) 級聯的共振單元。這些共振單元對整體(ti) 設計的貢獻在於(yu) 它們(men) 提供了不同的表麵阻抗，從(cong) 而增強了吸聲性能。

通過耦合模式理論，分析了共振器的反射係數，揭示了在“臨(lin) 界耦合"條件下，即輻射衰減率等於(yu) 內(nei) 在損耗率時，實現了吸聲。

3.剛度、強度、損傷(shang) 容限和能量吸收：

通過軸向壓縮測試，研究了MBAMs的機械響應。結果顯示，隨著細胞壁彎曲級別的增加，材料的應力-應變響應呈現出更溫和的軌跡，有效減輕了嚴(yan) 重故障。

MBAMs在A0 =1.0時展現出了優(you) 異的比能量吸收（SEA），達到了50.7J/g，比直線牆設計提高了558.4%。

4.變形和增強機製：

通過實驗和有限元方法（FEM）分析了MBAMs在不同壓縮應變下的變形模式，發現MBAMs能夠從(cong) 災難性故障轉變為(wei) 期望的損傷(shang) 容限逐層變形模式。

應力分布集中在最大曲率區域，這有助於(yu) 定向應力傳(chuan) 播，提高有效的應力轉移，並促進牆體(ti) 間的相互作用，從(cong) 而增強結構強度。

5.研究框架和前景：

提出了一個(ge) 研究框架，用於(yu) 設計具有聲學和機械性能的多功能超材料，包括弱耦合和強耦合兩(liang) 種設計方法。

討論了未來值得探索的領域，如新型結構設計、材料和功能，以及這些多功能材料在建築和運輸行業(ye) 中的實際潛力。

開展單軸準靜態加載實驗，對比不同彎曲幅值下的超材料樣件塑變吸能行為(wei) 差異。通過實驗測試的應力-應變曲線對比分析可知（圖4A），即使等效密度相同，該超材料單元的垂向曲率對其宏觀力學性能也影響極大，這不僅(jin) 體(ti) 現在實測所得關(guan) 鍵力學指標上（圖4B），應力-應變曲線的波動率差異也尤為(wei) 明顯（圖4C）。這表明，豎直胞壁存在應力陡降行為(wei) （接近0），這源於(yu) 其塑性階段的大麵積解體(ti) 破壞；而對於(yu) 文中所設計的曲壁超材料，其應力-應變曲線波動小、塑性變形更為(wei) 穩定；此外，文中繪製了密度-剛度、密度-強度、等效密度-比吸能圖，用於(yu) 評估所提超材料的實驗所測力學性能（圖4Di-Diii），結果表明其各項性能表現較優(you) 。

圖4 單軸準靜態壓縮實驗測試所得超材料力學性能

圖5 力學響應與(yu) 變形機製

第五章：結論

作者總結了他們(men) 的研究發現，並強調了所提出的多功能生物啟發型結構化超材料（MBAMs）的重要性和潛在應用。

1.創新材料介紹：

研究介紹了一類新型的多功能生物啟發型結構化超材料（MBAMs），這些材料以烏(wu) 賊骨微觀結構為(wei) 靈感，采用弱耦合設計方法。

2.聲學性能：

MBAMs在1.0至6.0 kHz的寬頻率範圍內(nei) 展現出了的吸聲性能，平均吸聲係數達到0.80，且有77%的數據點超過了0.75，這在僅(jin) 有21毫米厚度的材料中是非常顯著的。

3.物理機製：

通過異質設計和遠場耦合效應，MBAMs實現了多模態混合共振，這是其吸聲性能的基礎。

4.機械性能：

除了優(you) 異的吸聲性能，MBAMs還展現出了超高強度、高能量吸收和高損傷(shang) 容限。這些材料在低密度（1.53 g/cm³）下具有平均模量4.93 GPa、強度211MPa和比能量吸收50.7J/g。

5.設計和應用前景：

這些多功能材料不僅(jin) 在實驗室中具有潛力，而且隨著增材製造技術的進步，它們(men) 有望被集成到各種大規模工程項目中，特別是在建築和運輸行業(ye) 。

6.研究框架：

作者提出了一個(ge) 研究框架，用於(yu) 設計和優(you) 化聲學和機械性能的超材料，這為(wei) 未來的研究和開發提供了方向。

綜上所述，MBAMs在材料科學和工程領域架起了一個(ge) 重要的橋梁，它們(men) 不僅(jin) 在理論上具有創新性，而且在實際應用中也具有巨大的潛力。這些超材料的設計和製造為(wei) 解決(jue) 實際工程中的噪聲和衝(chong) 擊問題提供了新的可能性，並且它們(men) 的多功能性為(wei) 未來的材料設計提供了新的思路。