Small:巧妙的结构设计! 声学功能与力学的性能设计的完美融合

撰稿|何玉龙

传统的声学功能材料依赖于材料的设计。因此，声学材料性能及功能的可设计性受到晶格拓扑的严重限制。从微米到米级的增材制造技术的出现打破这一局限，为新型声学结构设计（声学超构材料）的材料、结构与功能的一体化设计铺平了道路。声学超构材料由于其特殊的结构设计，呈现出众多新颖奇特的性质，为声波的调控提供了一种全新的方式。然而，现有的研究更多的关注于声学超构材料的声学特性。那么复杂载荷工况下，声学超构材料的声学特性又会有什么变化吗？声学超构材料能否发挥其优异声学特性呢？此外，在实际应用场景中，研究人员也迫切希望将声场操控功能与力学性能的设计集成在同一个功能结构中。

近日，新加坡国立大学的翟伟教授课题组提出了一种兼具优异声学和力学特性的轻量微晶格超材料（Microlattice）。在晶格几何拓扑不变的条件下，通过调控晶格的空间布局即可实现不同的波场操控功能，如良好的吸声系数、多频段吸声。为复杂载荷工况下，声学器件的设计提供了一个范例，多功能集成声学器件的开发提供了一个可行的解决方案。该研究成果以“Microlattice Metamaterials with Simultaneous Superior Acoustic and Mechanical Energy Absorption”为题发表在《Small》杂志上。翟伟教授为该工作的通讯作者，Xinwei Li为论文第一作者，新加坡国立大学为论文第一署名单位。

近些年，微晶格超材料作为一种功能材料广泛应用于催化、能量收集元件、能量吸收、吸声等领域。尽管目前的增材制造技术已经可以制备具有微米甚至纳米尺度的轻量超构材料，但由于3D制造技术的本身分辨率的极限以及原材料的限制，微晶格超材料作为一种拉伸/弯曲支配的拓扑结构，其强度与刚度依然取决于结构的拓扑以及微观尺寸效应。因此，目前的工作主要基于微晶格超构材料的结构拓扑及尺寸效应研究。相对而言，基于微晶格超材料对声波的调控的研究工作较少。一方面，尽管通过引入孔径和腔体尺寸的非均匀性，微晶格之间发生协同耦合可以实现宽频吸声。然而，这些结构拓扑与基材属性的调整可能会对微晶格的力学性能产生重大影响。另一方面，在航空航天、国防、医疗等领域应用中，人们期望对声波进行简单高效操纵，这些工程应用却对结构的轻量化、高比强度和稳定性提出了严格的要求。因此，微晶格超构材料如何实现兼具优异声学功能及力学特性仍然是一个挑战。更为重要的是，在很多应用场合下，人们期待多种不同的声场操控功能和优异的力学特性可以集成在同一个结构中。因此，轻量化多功能声学超构材料的研究具有重要的科学意义与实用价值。

为了实现声学功能与力学的性能设计的完美融合。同时基于模块化设计理念实现反射波和透射波的高效地控制，达到不同频率的完美吸声的效果，但是自然界没有提供兼具上述声学功能和力学特性的材料为我们选用。为此，该课题组选取面心立方作为研究结构，提出了四类兼具优异声学功能和力学性能的面心立方衍生微晶格超构材料（最优吸声系数接近于1、比吸能为50.3J/g）。其构思精巧之处在于通过在面板晶格的交点处引入圆孔，一方面解决3D打印过程中内部残留物的排除的问题，另一方面，面板之间通过孔的连接形成了一个亥姆霍兹共振腔。更重要的是圆孔在一定程度上避免了面板交界处的应力集中。该设计为结构、功能一体化设计提供了一个很好的范例。

另外，基于级联型共振峰模型，微晶格超构材料的吸声机理被构建。这种基于级联型共振峰模型，与传统微晶格采用的Delany–Bazley 模型有着很大不同。主要是由于本文中的面心立方衍生晶格结构（萤石桁架微晶格结构、萤石面板-桁架混合型结构）具有高的占空比。通过上述理论，本文基于模块化设计思路提出了一种宽频可调声学超构材料设计方案（通过沿着厚度方向改变胞元的数量，实现了该微晶格超材料从高频吸声到低频吸声的转变）。更有趣的是，通过简单地引入非均匀的孔，该晶格结构可以实现宽频吸声，同样也会改变微晶格结构的力学性能。由于声学超构材料基于微晶格结构设计，该工作不仅提出了一种高效率的设计方法来实现多频段的声波操控，也为声学功能与力学性能的一体化设计提供了一种可行的解决方案。

图1 一种兼具声学功能和能量吸收特性的超构材料示意图

图2  A)设计原理示意图，面心立方与萤石晶体结构 B)3D打印的微晶格

图3 吸声系数 (a)面心立方-板型晶格 (b)萤石-板型晶格 (c)萤石-板型与桁架杂化晶格 (d)萤石-桁架晶格

图4 面心立方板型晶格吸声机理

图5 不同晶格的力学响应与变形模式