CN106228969A - 一种三维局域共振声子晶体结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于局域共振机理的三维三相声子晶体结构，由弹性包覆层均匀包覆高密度芯体形成散射单元并按正方点阵周期排布，散射单元相互通过低密度硬质连接体连接形成。所述制作方法特征为利用基于光固化成型的3D打印技术制作出由连接体和包覆层组成的二维周期结构，高密度芯体置入包覆层后将二维周期数结构逐层叠加组装成完整三维周期性结构。本发明的有益效果是在减小结构尺寸和减轻结构重量的同时获得了低频声学宽带隙，基于光固化成型的3D打印技术的应用使得多相复杂三维声子晶体结构的制备更为简单灵活。

Description

一种三维局域共振声子晶体结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种局域共振声子晶体结构及制备方法，属于声学，涉及了固体物理学、结构力学、材料力学和增材制造等领域。
背景技术
现代工业生产过程中产生的机械振动不但对机械结构造成疲劳损伤影响设备性能还会给精密加工以及测量过程造成误差降低精度，同时机械振动产生的机械波穿透力强也易对人类身体造成伤害。因此，在工业生产过程中控制振动与抑制噪声是极为必要的。而声子晶体正是这样一种可用于减振降噪的新型功能材料。其具有的弹性波禁带特性可使得一定频率范围内的弹性波传输受到抑制从而可用于构造无振工作环境和阻隔噪声的传播。
声子晶体带隙的形成机理分为布拉格散和局域共振两种。研究结果表明，基于布拉格散射形成的带隙其频率对应的波长与晶格常数在同一数量级上。因此布拉格散射型声子晶体难以在较小的结构尺寸下获得低频声学带隙，不利于其在低频减振降噪领域的应用。而对于局域共振型声子晶体，研究表明其可用较小尺寸获得低频带隙。但目前常见局域共振型声子晶体结构由于基体质量大导致形成的带隙频率不够低宽度不够宽，另一方面基体质量大也不符合材料轻量化的发展趋势。同时，利用传统的机械加工方法制备复杂三维声子晶体结构非常困难。因此，在减小结构尺寸和减轻结构重量的同时获得低频声学宽带隙，以及实现结构的便捷高效制备是当前的一大研究难点。
基于此，本发明提供一种局域共振声子晶体结构及制备方法以解决上述问题。
发明内容
为了克服现有结构难以在满足小型化、轻量化要求下获得低频宽带隙的困难，解决传统机械加工方法难以制备复杂三维声子晶体结构的问题，本发明提供了一种局域共振声子晶体结构及制备方法。
本发明提供了一种三维三相声子晶体结构，包括高密度芯体，弹性包覆层和低密度连接体。
弹性包覆层均匀包覆高密度芯体形成散射单元并按正方点阵周期性排布，散射单元间通过低密度硬质连接体连接。
所述连接体形状为圆柱体，在单胞中数量为六个，按X、Y、Z三个方向正交分布，连接体中心轴线相交于芯体中心。
本发明还提供前述三维三相声子晶体结构的制备方法，包括如下步骤。
1）结构材料的选择：所述芯体密度是连接体密度三倍以上，包覆层弹性模量比芯体和连接体小四个量级。
2）结构尺寸的设计：由声学特性要求确定晶格常数，芯体直径大于晶格常数的五分之一，连接体直径大于晶格常数的十分之一，包覆层厚度为晶格常数的十分之一到五分之一。
3）预处理：单胞在三个维度上周期性排列形成的完整三维周期结构可由在两个维度上周期性排列的结构在第三个维度方向上周期叠加形成。在CAD软件中建立由连接体和包覆层组成的二维周期结构的数字模型，将生成的CAD文件导入3D打印机控制软件。
4）生产：3D打印机按照规划的路径喷射出细小的光敏材料液滴并立即使用紫外线将其固化，在托盘上聚集成薄层。薄层材料逐层叠加进而形成精确的三维实体模型。
5）支撑去除：可手工或用水去除支撑材料。
6）经由步骤1）到5）制得由连接体和包覆层组成的二维周期结构，高密度芯体置入包覆层后将该结构逐层叠加粘接组装成完整实体结构。
方法的适用性：针对不同声学特性的要求，重复以上步骤1）至步骤6），可制备得到满足既定要求的三维三相声子晶体结构。
本发明的有益效果是在满足结构声学特性要求的前提下，减小了结构尺寸，减轻了结构重量，获得了低频宽带隙。基于光固化成型3D打印技术的利用使得三维复杂声子晶体结构的制备变得更加简单。
附图说明
图1是三维局域共振声子晶体结构单胞模型，(a)为单胞轴测图，(b)为单胞截面图。
图2是完整的三维局域共振声子晶体结构。
图3是单胞在两个维度上周期性排列形成结构。
图4是芯体置入二维周期性结构的示意图。
图5是常见局域共振声子晶体结构能带结构图。
图6是本发明实施例的能带结构图。
元件标号说明
1 芯体
2 包覆层
3 连接体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作更为详细的说明。
图1(a)为声子晶体结构单胞模型，包括芯体1、包覆层2、连接体3。如图1(b)所示，单胞中含六个连接体3，连接体3的中心轴线相交于芯体1的中心。
芯体1和包覆层2形成散射单元并按正方点阵周期性排布，散射单元间经连接体3连接形成一定周期数的完整三维声子晶体结构如图2所示。
结合附图对本发明的制备方法作具体描述，包括以下六个步骤。
步骤1），结构尺寸的设计：由声学特性要求确定晶格常数，芯体1直径大于晶格常数的五分之一，连接体3直径大于晶格常数的十分之一，包覆层2厚度为晶格常数的十分之一到五分之一。
步骤2），结构材料的选择：芯体1密度是连接体3密度三倍以上，包覆层2弹性模量比芯体1和连接体3小四个量级。
步骤3），预处理：由步骤1确定结构的尺寸后，在CAD软件中建立如图3所示连接体和包覆层所形成二维周期结构的数字模型。将生成的CAD文件导入光固化3D打印机控制软件。软件将自动对数据文件作分层处理并计算出光敏材料和支撑材料的位置。
步骤4），生产：光固化3D打印机具有两个喷头，喷头按照规划路径分别喷射出形成连接体和包覆层的细小光敏材料液滴，液体材料经紫外线照射后固化，最终在托盘上聚集成薄层。薄层材料逐层叠加进而形成精确的三维实体模型。该过程中3D打印机会在结构悬空部分或形状复杂需要支撑处喷射可去除的凝胶状支撑材料。
步骤5），支撑去除：可手工或用清水去除支撑材料。可直接对3D打印机生成的模型和零件进行处理和使用，无需后续固化。
步骤6），经由步骤1）至步骤5）制得如图3所示的由连接体和包覆层组成的二维周期结构，再将高密度芯体1置入包覆层2如图4所示，最后将图4所示结构逐层叠加粘接，组装成完整周期结构如图2所示。
方法的适用性：针对不同声学特性的要求，重复以上步骤1）至步骤6），可制备得到满足既定要求的三维三相声子晶体结构。
下面结合具体实例对本发明作进一步阐述。
本实施例中芯体1密度ρ =11600kg/m3，弹性模量E =4.08×1010 Pa，剪切模量G =1.49×1010 Pa；包覆层2密度ρ =1300kg/m3，弹性模量E =1.175×105 Pa，剪切模量G = 4×104Pa；连接体3密度ρ =1180kg/m3，弹性模量E = 4.35×109 Pa，剪切模量G = 1.59×109 Pa。芯体密度1是连接体3密度三倍以上，包覆层2弹性模量比芯体1和连接体3小四个量级。
本实施例中芯体1直径大于晶格常数的五分之一，连接体3直径大于晶格常数的十分之一，包覆层2厚度为晶格常数的十分之一到五分之一。声子晶体结构单胞截面如图1a所示，晶格常数为20mm，芯体1半径为5mm，包覆层2厚度为2.5mm，连接体3直径为3mm。建立以上确定尺寸结构的数字化模型，将生成的CAD文件导入光固化3D打印机控制软件。经光固化成型可制得由连接体和包覆层组成二维周期结构如图3所示，再将高密度芯体1置入包覆层2如图4所示，最后将图4所示结构逐层叠加粘接，形成如图2所示的完整三维周期结构。
本实施例中计算得到如图5、图6所示能带结构图，其中图5为常见的散射单元完全嵌入基体形成声子晶体结构的能带结构图，图6为本发明所设计的散射单元仅通过连接体连接形成声子晶体结构的能带结构图。图中横坐标为波矢，纵坐标为频率，斜线填充部分即为带隙。如图5，常见结构得到的带隙频率范围为374.88Hz~491.39Hz，带隙中心频率为433.14Hz，带隙宽度为116.51Hz。如图6，本发明设计结构得到的带隙频率范围为93.54Hz~408.57Hz，带隙中心频率为251.06Hz，带隙宽度为315.03Hz。
综上，本发明所设计结构在满足小尺寸轻量化的要求下获得了低频声学宽带隙；本发明的制作方法中，利用基于光固化成型的3D打印技术解决了传统机械加工方法难以制作复杂三维声子晶体结构的问题。
如上所述，对本发明的实施例作了详细说明，但以上内容并不限制本发明。任何熟悉此领域的专业人员都具备对上述实施例进行修饰和变形的能力。但只要实质上没有完全脱离本发明发明点和技术思想的变形例全部包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于局域共振机理的三维三相声子晶体结构，由弹性包覆层、高密度芯体、连接体构成，其特征在于，弹性包覆层均匀包覆高密度芯体形成散射单元并按正方点阵周期排布，散射单元间直接通过低密度硬质连接体连接形成完整结构。
2.根据权利要求1所述的一种三维三相声子晶体结构，其特征在于，散射单元非完全嵌入基体而是通过有限数量连接体连接形成完整结构。
3.根据权利要求1所述的一种三维三相声子晶体结构，其特征在于，所述连接体在单胞中数量为六个。
4.根据权利要求1所述的一种三维三相声子晶体结构，其特征在于，所述连接体按X、Y、Z三个方向正交分布，连接体中心轴线相交于芯体中心。
5.一种基于局域共振机理的三维三相声子晶体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）结构材料的选择：所述芯体密度是连接体密度三倍以上，包覆层弹性模量比芯体和连接体小四个量级；
2）结构尺寸的设计：由声学特性要求确定晶格常数，芯体直径大于晶格常数的五分之一，连接体直径大于晶格常数的十分之一，包覆层厚度为晶格常数的十分之一到五分之一；
3）预处理：单胞在三个维度上周期性排列的完整三维周期结构可由在两个维度上周期性排列的结构在第三个维度上周期性叠加形成，在CAD软件中建立由连接体和包覆层组成的二维周期结构数字模型，将生成的CAD文件导入3D打印机控制软件；
4）生产制备：3D打印机按照规划的路径喷射出细小的光敏材料液滴并立即使用紫外线将其固化，在托盘上聚集成薄层，薄层材料逐层叠加进而形成精确的三维实体模型；
5）支撑去除：可手工或用水去除支撑材料；
6）经由步骤1）到5）制得由连接体和包覆层组成的二维周期结构，高密度芯体置入包覆层后将该结构逐层叠加粘接组装成完整三维周期性结构。
6.根据权利要求5所述一种三维三相声子晶体结构的制备方法，其特征在于，通过改变芯体、包覆、连接体的材料参数，实现带隙频率和带隙宽度的调控。
7.根据权利要求5所述一种三维三相声子晶体结构的制备方法，其特征在于，在保持晶格常数不变的情况下，通过改变芯体大小、包覆层厚度、连接体直径，实现带隙频率和带隙宽度的调控。
8.根据权利要求5所述一种三维三相声子晶体结构的制备方法，其特征在于，采用基于光固化快速成型的3D打印技术，将光敏材料分层光固化的方法制备实体结构。
9.根据权利要求5所述一种三维三相声子晶体结构的制备方法，其特征在于，将三维周期排列结构分为多层二维周期排列结构，置入芯体后通过分层组装的方法制备得到完整三维周期性结构。
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