在航空航天、軌道交通、建筑制造等眾多工程領(lǐng)域，噪聲和沖擊危害無處不在，迫切需要能夠同時(shí)吸收聲音和應(yīng)力波能量的材料。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，香港大學(xué)陸洋教授、中南大學(xué)王中鋼教授和香港理工大學(xué)余翔助理教授合作開展研究，以烏賊骨為靈感，通過弱耦合設(shè)計(jì)，提出了具有的吸聲和機(jī)械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料。該超材料通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造，使用高強(qiáng)度Ti6Al4V合金。Ti6Al4V合金提供了高強(qiáng)度、耐腐蝕性和高溫性能，有助于穩(wěn)定的吸聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提超材料實(shí)現(xiàn)了緊湊尺寸下寬帶高效吸聲(1.0至6.0 kHz平均吸聲系數(shù)0.8)，且其非線性曲壁特征引導(dǎo)了塑性段穩(wěn)定漸進(jìn)變形而非直壁構(gòu)型的大面積解體破壞，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"為題，發(fā)表在期刊NPG Asia Materials上。

一、研究背景

在實(shí)際工程中，噪聲和沖擊波的危害普遍存在，這促使人們尋求能夠同時(shí)吸收聲波和應(yīng)力波能量的材料。作者指出，設(shè)計(jì)這種多功能材料是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰瑫r(shí)優(yōu)化材料的吸聲和機(jī)械性能。例如，在航空航天工程中，吸聲襯墊不僅要減少噪音，還要能夠承受潛在的局部沖擊。

為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開始探索模仿自然界生物結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料設(shè)計(jì)。增材制造技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了生物啟發(fā)型超材料的興起，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，研究人員一直致力于提高傳統(tǒng)材料如穿孔板、泡沫和織物的吸聲效率，開發(fā)了多種新型吸聲超材料和先進(jìn)的多孔材料，如氣凝膠和石墨烯泡沫。

然而，研究人員面臨著在高強(qiáng)度和寬帶吸聲之間找到平衡的難題。文章提出，為了實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)械波能量吸收材料，需要一種新的設(shè)計(jì)方法。這種方法靈感來源于烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu)，它具有固有的強(qiáng)度、韌性和可適應(yīng)的細(xì)胞特征。烏賊骨的“墻-隔板"結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁的不對(duì)稱彎曲模式為設(shè)計(jì)吸聲器提供了潛力，并且在力學(xué)中很重要。

文章介紹了通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs），這種材料使用高強(qiáng)度的Ti6Al4V合金。這些超材料在實(shí)驗(yàn)中顯示出了優(yōu)異的吸聲性能，平均吸聲系數(shù)為0.80，且在21毫米的緊湊厚度下，77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過了0.75的閾值。此外，這些超材料還展現(xiàn)出了機(jī)械性能，包括高模量、高強(qiáng)度和超高的比能量吸收。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)具有理想聲學(xué)和機(jī)械性能的多功能材料提供了新的視角。

二、設(shè)計(jì)原則

研究介紹了如何從烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu)中汲取靈感，設(shè)計(jì)出具有吸聲和機(jī)械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）。

1.自然微觀特征：

烏賊骨的“墻-隔板"微觀結(jié)構(gòu)通過掃描電子顯微鏡（SEM）揭示，展示了其堅(jiān)固的多室結(jié)構(gòu)和波動(dòng)的細(xì)胞壁。

烏賊骨細(xì)胞壁的非線性彎曲特征被特別強(qiáng)調(diào)，這種特征在以往的研究中常被忽視，但對(duì)于力學(xué)性能至關(guān)重要。

2.異質(zhì)吸聲材料：

設(shè)計(jì)了三層級(jí)聯(lián)的共振板，并在其中引入了耗散孔，以提高吸聲效率。

基于級(jí)聯(lián)共振的概念，設(shè)計(jì)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將超材料分為兩個(gè)并行部分（Part 1和Part2），每個(gè)部分都包含三個(gè)串聯(lián)電路，形成了多模態(tài)混合共振系統(tǒng)。

3.彎曲細(xì)胞壁：

細(xì)胞壁的設(shè)計(jì)模仿了烏賊骨的自然曲率，并且結(jié)合了水平方向的正弦波模式，以增強(qiáng)吸聲性能。

不同的彎曲級(jí)別（如直線墻和不同的A0值）被用來研究其對(duì)材料性能的影響。

4.弱耦合設(shè)計(jì)方法：

提出了一種“弱耦合"設(shè)計(jì)方法，允許聲學(xué)和機(jī)械單元幾乎獨(dú)立設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高度定制化的聲音和應(yīng)力波能量吸收性能。

這種設(shè)計(jì)方法使得吸聲性能由共振板的幾何形狀和排列模式控制，而對(duì)軸向機(jī)械性能影響不大；反之，細(xì)胞壁的形狀決定了應(yīng)力波能量吸收，但對(duì)吸聲性能影響甚微。

第三章：材料制備方法

1.樣品制造：

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

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

去除殘留的粉末，材料從基板上切割下來。

2.材料參數(shù)測(cè)定：

在Instron       8501設(shè)備上進(jìn)行拉伸測(cè)試，以確定材料參數(shù)。

得到的材料參數(shù)包括彈性模量Es、初始屈服強(qiáng)度σ0、泊松比ν和密度ρs。

3.吸聲測(cè)量：

使用標(biāo)準(zhǔn)雙麥克風(fēng)設(shè)置（SKCZT13），遵循ISO10534-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量。

樣品直徑為30毫米，固定在樣品架上。

測(cè)試頻率范圍從0.8 kHz到6.3kHz。

4.機(jī)械性能測(cè)量：

使用Shimadzu  AG25-TB萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。

樣品以0.002  s–1的應(yīng)變率進(jìn)行軸向準(zhǔn)靜態(tài)加載。

壓縮方向與SLM構(gòu)建方向平行的一對(duì)面對(duì)齊。

使用數(shù)字相機(jī)記錄變形模式。

5.有限元方法（FEM）：

開發(fā)有限元（FE）模型，使用COMSOL Multiphysics軟件。

對(duì)于吸聲特性，使用熱粘性聲學(xué)模塊，并結(jié)合邊界層理論。

對(duì)于壓縮模型，模擬多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的塑性大應(yīng)變變形。

通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

第四章 結(jié)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，其平均吸聲系數(shù)α在1.0至6.0kHz的頻率范圍內(nèi)超過0.77，最高平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.80，77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過了0.75的閾值。

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

2.物理機(jī)制：

MBAMs由兩個(gè)并行的共振系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)都包含三個(gè)級(jí)聯(lián)的共振單元。這些共振單元對(duì)整體設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)在于它們提供了不同的表面阻抗，從而增強(qiáng)了吸聲性能。

通過耦合模式理論，分析了共振器的反射系數(shù)，揭示了在“臨界耦合"條件下，即輻射衰減率等于內(nèi)在損耗率時(shí)，實(shí)現(xiàn)了吸聲。

3.剛度、強(qiáng)度、損傷容限和能量吸收：

通過軸向壓縮測(cè)試，研究了MBAMs的機(jī)械響應(yīng)。結(jié)果顯示，隨著細(xì)胞壁彎曲級(jí)別的增加，材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出更溫和的軌跡，有效減輕了嚴(yán)重故障。

MBAMs在A0 =1.0時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的比能量吸收（SEA），達(dá)到了50.7J/g，比直線墻設(shè)計(jì)提高了558.4%。

4.變形和增強(qiáng)機(jī)制：

通過實(shí)驗(yàn)和有限元方法（FEM）分析了MBAMs在不同壓縮應(yīng)變下的變形模式，發(fā)現(xiàn)MBAMs能夠從災(zāi)難性故障轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕膿p傷容限逐層變形模式。

應(yīng)力分布集中在最大曲率區(qū)域，這有助于定向應(yīng)力傳播，提高有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，并促進(jìn)墻體間的相互作用，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5.研究框架和前景：

提出了一個(gè)研究框架，用于設(shè)計(jì)具有聲學(xué)和機(jī)械性能的多功能超材料，包括弱耦合和強(qiáng)耦合兩種設(shè)計(jì)方法。

討論了未來值得探索的領(lǐng)域，如新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和功能，以及這些多功能材料在建筑和運(yùn)輸行業(yè)中的實(shí)際潛力。

開展單軸準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同彎曲幅值下的超材料樣件塑變吸能行為差異。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)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(duì)其宏觀力學(xué)性能也影響極大，這不僅體現(xiàn)在實(shí)測(cè)所得關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)上（圖4B），應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)率差異也尤為明顯（圖4C）。這表明，豎直胞壁存在應(yīng)力陡降行為（接近0），這源于其塑性階段的大面積解體破壞；而對(duì)于文中所設(shè)計(jì)的曲壁超材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動(dòng)小、塑性變形更為穩(wěn)定；此外，文中繪制了密度-剛度、密度-強(qiáng)度、等效密度-比吸能圖，用于評(píng)估所提超材料的實(shí)驗(yàn)所測(cè)力學(xué)性能（圖4Di-Diii），結(jié)果表明其各項(xiàng)性能表現(xiàn)較優(yōu)。

圖4 單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得超材料力學(xué)性能

圖5 力學(xué)響應(yīng)與變形機(jī)制

第五章：結(jié)論

作者總結(jié)了他們的研究發(fā)現(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)了所提出的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）的重要性和潛在應(yīng)用。

1.創(chuàng)新材料介紹：

研究介紹了一類新型的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs），這些材料以烏賊骨微觀結(jié)構(gòu)為靈感，采用弱耦合設(shè)計(jì)方法。

2.聲學(xué)性能：

MBAMs在1.0至6.0 kHz的寬頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)出了的吸聲性能，平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.80，且有77%的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過了0.75，這在僅有21毫米厚度的材料中是非常顯著的。

3.物理機(jī)制：

通過異質(zhì)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)場耦合效應(yīng)，MBAMs實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)混合共振，這是其吸聲性能的基礎(chǔ)。

4.機(jī)械性能：

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

5.設(shè)計(jì)和應(yīng)用前景：

這些多功能材料不僅在實(shí)驗(yàn)室中具有潛力，而且隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步，它們有望被集成到各種大規(guī)模工程項(xiàng)目中，特別是在建筑和運(yùn)輸行業(yè)。

6.研究框架：

作者提出了一個(gè)研究框架，用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化聲學(xué)和機(jī)械性能的超材料，這為未來的研究和開發(fā)提供了方向。

綜上所述，MBAMs在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域架起了一個(gè)重要的橋梁，它們不僅在理論上具有創(chuàng)新性，而且在實(shí)際應(yīng)用中也具有巨大的潛力。這些超材料的設(shè)計(jì)和制造為解決實(shí)際工程中的噪聲和沖擊問題提供了新的可能性，并且它們的多功能性為未來的材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。