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多功能仿生超材料声-力性能高效设计及调控方法

在航空航天、轨道交通、建筑制造等众多工程领域，噪声和冲击危害无处不在，迫切需要能够同时吸收声音和应力波能量的材料。针对这一挑战，香港大学陆洋教授、中南大学王中钢教授和香港理工大学余翔助理教授合作开展研究，以乌贼骨为灵感，通过弱耦合设计，提出了具有的吸声和机械性能的生物启发型结构化超材料。该超材料通过选择性激光熔化（SLM）增材制造技术制造，使用高强度Ti6Al4V合金。Ti6Al4V合金提供了高强度、耐腐蚀性和高温性能，有助于稳定的吸声。实验结果表明：所提超材料实现了紧凑尺寸下宽带高效吸声(1.0至6.0 kHz平均吸声系数0.8)，且其非线性曲壁特征引导了塑性段稳定渐进变形而非直壁构型的大面积解体破坏，较大程度提升了塑变吸能能力。该研究成果以”Unprecedented mechanical wave energy absorption observed in multifunctional bioinspired architected metamaterials”为题，发表在期刊NPG Asia Materials上。

一、研究背景

在实际工程中，噪声和冲击波的危害普遍存在，这促使人们寻求能够同时吸收声波和应力波能量的材料。作者指出，设计这种多功能材料是一个挑战，因为它需要同时优化材料的吸声和机械性能。例如，在航空航天工程中，吸声衬垫不仅要减少噪音，还要能够承受潜在的局部冲击。

为了解决这一挑战，研究人员开始探索模仿自然界生物结构的先进材料设计。增材制造技术的发展促进了生物启发型超材料的兴起，这类材料具有的属性，通常在自然界中找不到。在过去的几十年中，研究人员一直致力于提高传统材料如穿孔板、泡沫和织物的吸声效率，开发了多种新型吸声超材料和先进的多孔材料，如气凝胶和石墨烯泡沫。

然而，研究人员面临着在高强度和宽带吸声之间找到平衡的难题。文章提出，为了实现理想的机械波能量吸收材料，需要一种新的设计方法。这种方法灵感来源于乌贼骨的微观结构，它具有固有的强度、韧性和可适应的细胞特征。乌贼骨的“墙-隔板”结构和细胞壁的不对称弯曲模式为设计吸声器提供了潜力，并且在力学中很重要。

文章介绍了通过选择性激光熔化（SLM）增材制造技术制造的多功能生物启发型结构化超材料（MBAMs），这种材料使用高强度的Ti6Al4V合金。这些超材料在实验中显示出了优异的吸声性能，平均吸声系数为0.80，且在21毫米的紧凑厚度下，77%的数据点超过了0.75的阈值。此外，这些超材料还展现出了机械性能，包括高模量、高强度和超高的比能量吸收。这项研究为设计具有理想声学和机械性能的多功能材料提供了新的视角。

二、设计原则

研究介绍了如何从乌贼骨的微观结构中汲取灵感，设计出具有吸声和机械性能的生物启发型结构化超材料（MBAMs）。

1.自然微观特征：

乌贼骨的“墙-隔板”微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）揭示，展示了其坚固的多室结构和波动的细胞壁。

乌贼骨细胞壁的非线性弯曲特征被特别强调，这种特征在以往的研究中常被忽视，但对于力学性能至关重要。

2.异质吸声材料：

设计了三层级联的共振板，并在其中引入了耗散孔，以提高吸声效率。

基于级联共振的概念，设计了异质结构，将超材料分为两个并行部分（Part 1和Part2），每个部分都包含三个串联电路，形成了多模态混合共振系统。

3.弯曲细胞壁：

细胞壁的设计模仿了乌贼骨的自然曲率，并且结合了水平方向的正弦波模式，以增强吸声性能。

不同的弯曲级别（如直线墙和不同的A0值）被用来研究其对材料性能的影响。

4.弱耦合设计方法：

提出了一种“弱耦合”设计方法，允许声学和机械单元几乎独立设计，从而实现高度定制化的声音和应力波能量吸收性能。

这种设计方法使得吸声性能由共振板的几何形状和排列模式控制，而对轴向机械性能影响不大；反之，细胞壁的形状决定了应力波能量吸收，但对吸声性能影响甚微。

图1 多功能仿生声-力超材料设计方法

Ai：描述了乌贼骨在乌贼体内的位置，指出“S”方向是从背侧指向腹侧。

Aii：提到了乌贼骨的一个广泛研究的微观结构特征，即具有水平波动墙的多层墙-隔板结构，并注明了版权信息。

Bi：展示了乌贼骨侧面的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示了细胞壁从底部到顶部的生长情况。

Bii：重建了细胞壁的轮廓，进一步揭示了细胞壁的弯曲模式。

Biii：描述了根据公式（1）计算的细胞壁长度与高度之间的关系，这个公式数学上表征了细胞壁长度的非线性增加。

Ci：介绍了受多层墙-隔板微观结构启发的级联共振板设计，并引入了耗散孔。

Cii：基于级联共振的异质设计，将超材料分为两个并行部分（第1部分和第2部分）。

Ciii：展示了单元格的空气相，其几何形状由固态细胞壁控制。

Di：提供了超材料和弯曲细胞壁的示意图。

Dii：展示了具有四个弯曲级别的细胞壁形态：直线墙和A0 = 0.5、1.0和1.5。

E：描述了弱耦合设计方法：对于吸收声波能量重要的元素/单元，但对于吸收应力波能量可以忽略不计，反之亦然。

第三章：材料制备方法

1.样品制造：

使用选择性激光熔化（SLM）技术，以Ti6Al4V合金为材料进行加工。

激光功率设置为500W，打印层厚度为60微米，扫描速度为1200毫米/秒。

去除残留的粉末，材料从基板上切割下来。

2.材料参数测定：

在Instron 8501设备上进行拉伸测试，以确定材料参数。

得到的材料参数包括弹性模量Es、初始屈服强度σ0、泊松比ν和密度ρs。

3.吸声测量：

使用标准双麦克风设置（SKCZT13），遵循ISO10534-2标准进行吸声系数测量。

样品直径为30毫米，固定在样品架上。

测试频率范围从0.8 kHz到6.3kHz。

4.机械性能测量：

使用Shimadzu AG25-TB万能试验机进行压缩实验。

样品以0.002 s–1的应变率进行轴向准静态加载。

压缩方向与SLM构建方向平行的一对面对齐。

使用数字相机记录变形模式。

5.有限元方法（FEM）：

开发有限元（FE）模型，使用COMSOL Multiphysics软件。

对于吸声特性，使用热粘性声学模块，并结合边界层理论。

对于压缩模型，模拟多细胞结构的塑性大应变变形。

通过应力-应变曲线验证模型的准确性。

图2 超材料样件及实验测试吸声性能

第四章结果和讨论

1.超常、宽带、高效的吸声性能：

MBAMs展示了声音吸收能力，其平均吸声系数α在1.0至6.0kHz的频率范围内超过0.77，最高平均吸声系数达到0.80，77%的数据点超过了0.75的阈值。

尽管厚度仅有21毫米，MBAMs的吸声性能却远超一般趋势，表明了其在吸声效率上的显著优势。

2.物理机制：

MBAMs由两个并行的共振系统组成，每个系统都包含三个级联的共振单元。这些共振单元对整体设计的贡献在于它们提供了不同的表面阻抗，从而增强了吸声性能。

通过耦合模式理论，分析了共振器的反射系数，揭示了在“临界耦合”条件下，即辐射衰减率等于内在损耗率时，实现了吸声。

3.刚度、强度、损伤容限和能量吸收：

通过轴向压缩测试，研究了MBAMs的机械响应。结果显示，随着细胞壁弯曲级别的增加，材料的应力-应变响应呈现出更温和的轨迹，有效减轻了严重故障。

MBAMs在A0 =1.0时展现出了优异的比能量吸收（SEA），达到了50.7J/g，比直线墙设计提高了558.4%。

4.变形和增强机制：

通过实验和有限元方法（FEM）分析了MBAMs在不同压缩应变下的变形模式，发现MBAMs能够从灾难性故障转变为期望的损伤容限逐层变形模式。

应力分布集中在最大曲率区域，这有助于定向应力传播，提高有效的应力转移，并促进墙体间的相互作用，从而增强结构强度。

5.研究框架和前景：

提出了一个研究框架，用于设计具有声学和机械性能的多功能超材料，包括弱耦合和强耦合两种设计方法。

讨论了未来值得探索的领域，如新型结构设计、材料和功能，以及这些多功能材料在建筑和运输行业中的实际潜力。

图3 吸声频谱特征及物理机制

开展单轴准静态加载实验，对比不同弯曲幅值下的超材料样件塑变吸能行为差异。通过实验测试的应力-应变曲线对比分析可知（图4A），即使等效密度相同，该超材料单元的垂向曲率对其宏观力学性能也影响极大，这不仅体现在实测所得关键力学指标上（图4B），应力-应变曲线的波动率差异也尤为明显（图4C）。这表明，竖直胞壁存在应力陡降行为（接近0），这源于其塑性阶段的大面积解体破坏；而对于文中所设计的曲壁超材料，其应力-应变曲线波动小、塑性变形更为稳定；此外，文中绘制了密度-刚度、密度-强度、等效密度-比吸能图，用于评估所提超材料的实验所测力学性能（图4Di-Diii），结果表明其各项性能表现较优。

图4 单轴准静态压缩实验测试所得超材料力学性能

文中对比了实验与模拟所得直壁、一组代表性曲壁构型的塑性变形模式（图5A），分析了轴向局部曲度特征带来的机械鲁棒性提升行为，验证了数值仿真模型准确性（图5B），并进一步通过应力、等效塑性应变、拉-压应力分布特征阐述了所提超材料的大变形抗损伤增强机制（图5Ci-Cii）；基于实验与模拟所得变形模式，图5Ciii通过胞元尺度的变形示意图阐述了该超材料的宏观性能增强机制：在达到屈服点后，曲壁胞元产生较缓和的局部撕裂破坏，其坍塌部分单元能一定程度提供载荷支撑与有效应力传递，随着载荷持续增加，已坍塌和未坍塌胞元间的接触与支撑作用进一步增强，宏观上呈现为温和型渐进破坏模式。