超材料高研基础原理微结构设计与应用探索

波动力弹 材 团 开宇航学院院国家基金委创

从事复合材料细观力学、声波/弹 构材和波动控制研2003年获国家杰出青年科学基2004年 优秀教师称2006年获中国力学学会第九届青年科技有关声波/弹 构材料研究工作超构材料基金委双 报超构材料国际暑期学校（意大利）授课ICoEV2015（国际振动会议）大会报中国力学大会-2013大会报Elsevier2014-2017年中国高被引学2

教授/博导

教授/博 /博博士后：2人(1人博新计划)

3

二、声/弹 材料设计原4

††

†††

Pendryetal.(2006),Science,312, Schurigetal.(2006),Science,314,

StructuralOilLamb

??damageimage

7

Negativemass

Traditional

a0a0<<a<<Metamaterialsareartificialcompositeswithpropertyeasilyfoundin

0F2 0F21002Drudemodel：Drudemodel：(1pe02)Pendry(1996),Phys.Rev.Lett,76,

Shelbyetal,Science,

m0

m Liuetal(2000),Science,Fangetal(2006),NatureMaterials,5. Wuetal(2011),

二、声/弹 材料设计原声/弹 材料设计原Liuetal,Science, >>a,低频 质量-弹簧超材料设

MiltonandWillis(2007),PRSA,463, HuangetalIJES,负等效质

mm2m1 02负质量实验验

Connecting

Springm

SpringAir

Post

YaoetalNJP,负质量实验验

Frequency Frequency6

0

2Lorentz模型

1

Drude模型

m01 00 220

2meffmeff FrequencyFrequencyFrequencyFrequency 00.00.20.40.60.81.0-

0.00.20.40.60.81.0-

各向异性密度超材料设

-

meff,

meff,

等效密度张Huangetal.PhilosophicalMagazine2011

Zhuetal,IJES,Liu,Zhuetal,WaveMotion,负模量超材料设

FFAF ˆ2k1kcos2202k1kcos22022

2ˆˆ/11o1202k2 / Liuetal.APLLiuetal.JMPS双‘负’超材料设

m,2FF12

x(n1)22201x(n)22201

kcos2

122 121121120

F(n)k12

x(n1)x(n)

x(n)

(n)

1112F F mm2 21 22k02kcos2122I,212Liuetal.JMPS双‘负’超材料设

举个例子 km1

L=0.1,R=0.08,α=π/6,m1=0.2,m2=0.3,I=0.0015,k1=0.2,220k2220 1

2 2kR22

2kcos22121‘负’超材料的固体实

2 2nd 1st流体实现 固体实现1212

=𝜌1 +

𝜌−1

𝜌

(𝑑1+

ℎ1

m 1 m

1

/1 2 1

2 m 2

/

Torrentetal.(2010)PRL,105,

Miltonetal.(2007)Proc.R.Soc.A,363,855-880.Huangetal.(2011)Philos.Mag.91,981-996.Liu,Zhuetal.(2012)WaveMotion49,411-各向异性密度超材料设计微结构设 微结MATERIALaMatrix:Coating:Core:Mass𝟐𝟕𝟎𝟎𝐤𝐠𝟏𝟎𝟑𝟑𝐤𝐠𝟏𝟏𝟑𝟏𝟎𝐤𝐠ΦZhuetal,PRB, （定性验证

沿x1方 沿x2方（定量验证

Sensorpairtransform(CWT) 𝑡−𝑊𝑇𝑎,𝑏 𝑠𝑡 )𝑎 Sensorpair群速度计 相速度计𝑑−

𝐶(𝑓)𝐶𝑔(𝑓)=𝑑0/[Δ𝑡(𝑓)

(Δ𝑡

Δ𝜙

𝑑−)) ∆ϕ是两组压电传感器信号间的相位差,可∆ϕ是两组压电传感器信号间的相位差,可

𝜌1 =𝐶𝑒𝑓𝑓

=𝐶𝑒𝑓𝑓/[𝐶𝑝2

环氧树脂+硅橡胶+t =Coatingthickness=Core

===

V

F1VV

uds

U1u

S 12/ 1 /E2F/超材料单胞内的局部场可由 边界施加简谐位移激励 E

准静

负峰

正峰 = = = =

双负频率范围riblength=3.8mmρ =θs=

E=200GPav=0.3

二、声/弹 材料设V(t)A[1cos(2fct)]sin(2ft 50 弹性波负折射仿

fc=43.8eff=-5891eff=-2.18弹性波正折射仿fc=30eff=eff=24.2

EMMEMMPZTPZTPolytecPSV4003DPolytecPSV4003D30oo 数值模

0arctankykx

实验测量结

等频率 散度 旋度 GreendashedBluedottedRed

steelsteelOnlyshearwaverefractedφ=

f=

等频率 散度 旋度 f=

进行弹性材料各向高精度损伤成像与识yxyx提高信噪比途聚焦增强弹性波信号,active传

利用声子晶体梯度排列聚技术, 时间反演技术,IngandFink,

FocusingLambwavesusingperforatedgradientindexphononiccrystalplate,Zhaoetal.,2012.聚焦算法YuandLeckey

弹性波平板聚

zy43Highρ210zy43Highρ210 0 3 m微结构尺寸a=5r=2mm,h=1.5mm,hp=0.59铅柱高度梯度变xyxyYan,Zhuetal,APL, 薄铝

压电激励单 -

PZT5Hd31type压电阵列产生 2fV(t)P[H(t)H(t /f)](1cos c)sin2f

f=30N N 1.7187×101.7187×10-2.6816×10- 波产 波向焦点弯-2.6705×10-3.1719×10-

-1.7674×10-2.2260×10-波在焦点处聚 波过焦点后发-2.9546×10- -2.1092×10-Yan,Zhuetal,APL, 弹 𝐸𝑥,𝑦,𝑧, 𝐴𝑥,

𝑒𝑖𝑘𝑧𝑧+𝑘𝑦𝑦+𝑘𝑥𝑥−𝜔𝑡 𝑘𝑧 𝑐2

𝑘2+ 𝑘𝑥,𝑘𝑦

𝑘2+

=

𝑘′=

𝑘2+𝑘2 𝑐2 到近场

yyyyxx

Lead各向异性密度超材料微 Lead

meff,

meff,H.H.Huangetal.PhilosophicalMagazine

Zhuetal.PRB86144307a单一材料各向异性密度微结构设aHorizontalZhuetal,JASA, 双曲线形状等频率Zhuetal,JASA, 折纸超材料（单胞0.4mmAluminum折纸超材料（多胞各向异性密度（弯曲波yx110.4𝟏𝟎×𝟏𝟎18

0

弯曲波指向PZTdiskpair(top1/4弯曲波指向

f=f= f=弹性波

Layer1Layer1234567No.of7(top+,bottom-)弯 分

1mm1mmλ=41mm(f=两个压电激励源间距为：1/3f=

f=手性蜂巢结

（-Prall&Lakes,IJMS,Spadonietal.,WM,

Liuetal.,Science,同同时针对波与S波的低频禁不被改变的高频段带结轻质材料中实现低频隔振同时不增加体 43210

3210

b2b2BO OB 手性蜂巢结构 含嵌 L/R L/R0.6R手R手性性微微

3蜂 2蜂巢2巢 1 1参 00

O 填填充充圆圆柱柱密密度度影影响响0.20.40.60.81.01.21.41.61.8c

圆 圆柱柱 影 影 crcPointAPointuyPointAPointuy0AWB- -0O O OFRFInclusionInclusionuy0AHW=810mm(32Unitells) O O- PointPointPoint （waterjet）

单种谐振单元（不同层数 两种谐振单元分区排弹性薄板隔

单一材料胞元设实验搭

微结构优出面弯曲振 面内纵向振15.6毫Zhuetal,PLA,15.6毫“双负”—负折射ρ超材料具有窄带与不可调 j

j k k k 0C CRHuang,SunandHuang,IntJEng.Sci,

I YD

sΑdii

S d

T T

sΑd d

T压电材料--力电耦

HagoodandFlotow,JSoundVib.,

EpEp EEpTp 1 T2p Cp pCp

2kd kd E11

CTpCT

负电容电路控制的弹jjjj mk1k1k11k1kmkkmm pnE p TCT 2pnkk2TC EpCT Tp 2nD b 2b pp6 p 2Eb3cc主动超结构单胞实

TektronixDPO4043BDigital

InstekSPD-3606DCPowerShuntedFunctionGeneratorLDSv201单 频率实验结f0andf0=671.5主动超材料多胞实ShuntedMetamaterial

InstekSPD-3606DCPowerSupply

B&KAll-in- LDS

45%Zhuetal,AppliedPhysicsLetter,108,011905 水平主轴（xx）调控率 垂直主轴（yy）调控率 负电容比:λ=CN/Zhuetal,JASA, 弯曲波信号放大实验测原始信板厚:0.4mm中心频率:放大Y.Y.Chen,R.Zhu,G.L.Huang*etal.,Sci.Rep.6,35048 结构Zhu*andHu*etal,SR, 水 橡胶G/K很

†

††完美† 具有相同等效属性的材

1000(kg/m3),K 弹性材料分

C

K

SS

Kelvin

CC6 P †根 的主值数目，我们可以定一模（uni-mode）,两模（bi-…，五模（penta-mode）材†水是一直特殊的五模材料

五模超材料设

4400(kg/m3

sEs

C

v

K

0 22 22GG 12

121000