CN106205586A - 一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，所述弹性超材料以金属材料作为基体板材，在基体板材上阵列排布有多个圆孔，每个圆孔填充泡沫铝材料形成一个填充单元，每个填充单元上附着一个局域共振单元，所述局域共振单元包括两对对称设置在填充单元两边且圆心与填充单元在一条直线上的圆柱。本发明提供的弹性超材料满足结构强度与刚度的要求，所制备的试件的理论模型在500Hz以下的低频范围内具有三个完全带隙，同时具有宽度为400Hz的弯曲振动带隙，带隙下边界低至66Hz，可以用于实现舰艇结构的低频宽带振动噪声控制，对于弹性超材料在工程减振降噪和舰艇声隐身中的应用具有重要意义。

Description

一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料
技术领域
本发明涉及弹性超材料技术领域，具体涉及一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料。
背景技术
科学技术的不断进步和社会经济的飞速发展，给人们提出了新的挑战。一方面，随着工业化、城镇化进程的加快，城镇工业噪声和交通噪声污染问题日趋严峻。噪声的普遍存在不仅影响到人们正常的休息和工作，而且容易损伤听力系统、神经系统，甚至诱发心脑血管疾病或精神疾病。因此，探索新型减振降噪材料，研究更有效的降噪消声技术无疑具有重要的社会意义和经济意义。
另一方面，在国防军事领域，声隐身技术作为军事武器装备的一项重要性能指标，对提高作战平台及武器系统的突防能力、生存能力和作战效能都有着举足轻重的作用。具有声隐身特性的舰船与潜艇可以有效躲避敌方探测，穿过敌方防线，近距离给敌方航母、舰船等以更精确和更具破坏力的打击。但随着信息融合技术的迅速发展，使得“反隐身”探测侦察水平不断提高，如何更有效隐蔽自己已成为现代国防科技领域必须解决的重大课题。因此，隐身和反隐身的角逐，使得探索新型声隐身材料成为当今前沿科学热点之一。
二十世纪九十年代问世的超材料(Metamaterials)是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料。美国科学杂志将其列入本世纪前十年的十项重要科学进展之一，美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划，并将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。弹性超材料作为超材料在弹性力学范畴的分支，泛指具有超常规弹性力学性能的周期性人工复合材料，具有如弹性波禁带特性、负材料参数特性等。当处于禁带频率范围内的弹性波进入弹性超材料，由于受其内部周期结构的散射作用或局域共振效应，禁带内的弹性波无法透过材料继续传播，形成弹性波禁带。弹性超材料独特的带隙特性使其在工程减振降噪和军事声隐身领域呈现广泛的潜在应用价值。
尽管弹性超材料具有巨大的潜在应用前景，但由于其从概念提出到理论体系的发展只有短短不到20年的时间，现有弹性超材料一般由软材料基体包覆硬材料散射体形成，机械强度不够高，工程实际中的机械组件与装备一般由金属基体构成。此外，目前弹性超材料的填充材料一般为各向同性均匀材料如硅橡胶材料，强度与刚度较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，在保证材料强度与刚度的前提下实现低频宽带隙振动噪声控制。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，所述弹性超材料以厚度为e的金属材料作为基体板材，在基体板材上阵列排布有多个直径为D0的圆孔，每个圆孔填充泡沫铝材料形成一个填充单元，每个填充单元上附着一个局域共振单元，所述局域共振单元包括两对对称设置在填充单元两边且圆心与填充单元在一条直线上的圆柱，靠近填充单元的圆柱直径为d，高度为l，另一对圆柱直径为D，高度为L，并且d<D，d<D0。
按上述方案，所述填充单元在基体板材上呈正方晶格形式周期性排列。
按上述方案，所述金属材料为钢板、铝板或铜板。
按上述方案，所述局域共振单元材质为钢材或铅材料。局域共振单元材质主要为钢材料、铅材料等高密度材料。
优选的是，所述泡沫铝材料孔径为0.5～1mm，比表面积为1000～4000m2/g，孔隙率为80～95％，密度为0.2～0.5g/cm3。
高孔隙率泡沫材料作为一种集物理功能与结构一体化的新型工程复合材料，具有超轻、高比强度、高比刚度、高韧性、高能量吸收等优良的力学性能，作为填充材料可以极大地拓展弹性超材料的物理范畴，实现弹性超材料低频宽带隙结构优化设计。泡沫铝具有较好的强度与刚度，质量密度低，相比传统橡胶材料更适宜于作为填充材料，具有更优良的性能。
本发明采用金属材料作为弹性超材料基体板材料，可以在一定程度上满足工程机械结构强度和刚度的需求；填充材料采用泡沫铝材料，不仅能在一定程度上保证填充结构的强度，同时可以实现弹性超材料低频带隙；局域共振单元设计为双边对称Neck金属结构，可以实现局域共振带隙的扩宽。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，采用金属基体材料，并且填充结构采用金属泡沫材料，满足填充材料及制件整体机械结构强度与刚度的要求，通过改变填充材料孔隙率、孔径等微观参数实现低频宽带隙优化，所制备的试件的理论模型在500Hz以下的低频范围内具有三个完全带隙，同时具有宽度为400Hz的弯曲振动带隙，带隙下边界低至66Hz，可以用于实现舰艇结构的低频宽带振动噪声控制，对于弹性超材料在工程减振降噪和舰艇声隐身中的应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1所述金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料的结构示意图，以3×3有限周期阵列结构为例；
图2为实施例1所述金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料的原胞结构图；
图3为实施例1所述金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料原胞的能带结构图(a)和有限周期结构的频率响应曲线(b)。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，结构示意图如图1所示(3×3有限周期阵列结构)，原胞结构图如图2所示，其中图2(a)为前视图，图2(b)为俯视图。弹性超材料原胞晶格常数为a，以厚度为e的金属铝板作为基体板材，在基体板材上阵列排布有多个直径为D0的圆孔，每个圆孔填充泡沫铝材料形成一个填充单元，填充单元在基体板材上呈正方晶格形式周期性排列，每个填充单元上附着一个局域共振单元(钢材质)，所述局域共振单元包括两对对称设置在填充单元两边且圆心与填充单元在一条直线上的圆柱，靠近填充单元的圆柱直径为d，高度为l，另一对圆柱直径为D，高度为L。
具体结构参数：a＝30mm；e＝3mm；D0＝28mm；d＝12mm；l＝3mm；D＝28mm；L＝12mm。材料参数：金属铝板(密度2730Kg/m3；弹性模量6.69×1010Pa；泊松比0.35)；泡沫铝材料(孔径为0.5～1mm，平均孔径为0.7mm；比表面积为2500m2/g；孔隙率为90％；密度0.41g/cm3；弹性模量8×106Pa；泊松比0.15)；局域共振Neck单元钢材料(密度7850Kg/m3；弹性模量2×1011Pa；泊松比0.33)。
根据图1的结构和选定的材料与结构参数，得到了金属基泡沫填充弹性超材料原胞的能带结构图见图3(a)，同时计算得到金属基泡沫填充弹性超材料1×8有限周期结构的频率响应曲线图3(b)。从图3(a)中原胞能带结构图可以发现，金属基泡沫填充弹性超材料结构能够在0-600Hz的频率范围内打开三个完全带隙，带隙频率范围为133～192Hz、192～261.5Hz以及322.7～466Hz。另一方面，由图3(b)中有限周期结构的频率响应曲线可以发现，金属基泡沫填充弹性超材料在66～468Hz频率范围内对弯曲振动具有显著的衰减特性，弯曲振动带隙宽度为402Hz，衰减量均在50dB以上，能够较好的实现低频带和宽频带减振降噪。理论分析可知该低频宽带隙主要是由二维二组元金属基泡沫填充声子晶体板结构的局域共振Lamb波模态和双边局域共振Neck单元(局域共振单元在填充单元一侧的部分)垂向方向扭转共振耦合引起。此外，保持金属基泡沫填充弹性超材料宏观结构参数不变，通过改变填充结构泡沫材料的孔隙率、孔径等微观参数，即可得到不同弹性模量、密度和泊松比的泡沫材料，泡沫铝的弹性模量、密度和泊松比改变即可改变弹性超材料带隙宽度与带隙位置，从而实现金属基泡沫填充弹性超材料低频宽带隙优化。
综上所述，本发明解决了500Hz以下低频宽带振动噪声控制问题，并且能够保证结构强度与刚度符合要求，而且通过结构优化设计，使该弹性超材料加工制备相对容易。

Claims (5)

1.一种金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，其特征在于：所述弹性超材料以厚度为e的金属材料作为基体板材，在基体板材上阵列排布有多个直径为D0的圆孔，每个圆孔填充泡沫铝材料形成一个填充单元，每个填充单元上附着一个局域共振单元，所述局域共振单元包括两对对称设置在填充单元两边且圆心与填充单元在一条直线上的圆柱，靠近填充单元的圆柱直径为d，高度为l，另一对圆柱直径为D，高度为L，并且d<D，d<D0。
2.根据权利要求1所述的金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，其特征在于：所述填充单元在基体板材上呈正方晶格形式周期性排列。
3.根据权利要求1所述的金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，其特征在于：所述金属材料为钢板、铝板或铜板。
4.根据权利要求1所述的金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，其特征在于：所述局域共振单元材质为钢材或铅材料。
5.根据权利要求1所述的金属基泡沫填充低频宽带隙弹性超材料，其特征在于：所述泡沫铝材料孔径为0.5～1mm，比表面积为1000～4000m2/g，孔隙率为80～95％，密度为0.2～0.5g/cm3。
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