CN107610687B - 一种用于热、噪声环境下的热-声两场超材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热噪声环境下的热‑声两场超材料的制备方法，包括环氧树脂基体，橡胶弹性包覆层，硬质量核心铅组成的局域共振声超材料单胞，周期性排列形成的有限尺寸局域共振声超材料薄板，将其各个单胞的环氧树脂基体，替换为由乳胶和硅橡胶交替层合形成的层合式热超材料；或将橡胶弹性包覆层包覆的硬质量核心铅组成的弹性共振单元，嵌入在由基质材料中填充非球形纳米颗粒形成的颗粒填充式热超材料中。本发明满足多场服役环境下结构的防热与降噪两种功能需求。
Description
技术领域
本发明属于结构防热、减振、降噪材料设计技术领域。主要为基于现有的各向异性热超材料及局域共振型声超材料的研究基础，开展热-声两场超材料的理论设计及制备方法，具体应用于尖端装备结构多场服役环境下的热防护、减振及降噪功能需求。
背景技术
近些年出现的超材料(或称超构材料)是一种人为设计、具有自然界材料不具备的如负泊松比、负折射率、负模量及负密度等特性的材料。以声超材料为例，2000年刘正猷等提出的局域共振型声学超材料，其构型为通过设计硅橡胶层包覆铅球嵌入环氧树脂的单胞，实现具有负有效密度特性的等效质量-弹簧-质量模型，并且通过小尺寸的结构实现对低频弹性波的调控。这种独特的带隙特性为装备结构内部降噪、隔声设计等工程难题提供了新的解决途径，在实现结构减振、隔声及新型声学器件研发等方面有巨大的应用前景(中国公开的专利有：CN1664920A，CN105845121A，CN103996395A，CN101908338B,CN103594080A；美国专利：US20170098440A1，US9464001B2)。而热超材料的出现，使得自然界材料不具备的热流屏蔽、热流聚集以及热流反转等特性可通过人工结构设计来实现，从而为热流控制提供了一种全新的方法。2008年，Huang(黄吉平)等在Applied PhysicsLetter发文预言了基于功能梯度材料，通过有限元模拟，可实现热隐身与热流反转(对应于表观负导热率)，即表观上热流从低温流向高温，从而提出热超材料的概念。2012年哈佛大学Supradeep Narayana在Physical Review Letters发文，实验验证了热流操控和热流反转的可行性：他们将两种各向同性材料依次层合而形成一种总体导热率为各向异性的新材料，通过改变组元材料的厚度、导热率及层合方向，分别实现了隔热、热流聚集及热流反转。自此，热超材料开始得到国际同行的广泛关注。
然而目前无论是声超材料还是热超材料，多仅限于单一物理场的研究。考虑热场、声场之间联合机制，设计(中低频)隔声防热的热-声超材料还未有涉及，其研究、设计与应用在国际上仍是空白。2013年Martin Maldovan在Nature发文提出的基于布拉格散射机制设计的具有隔声、吸热功能的热-声子晶体，其对于装备结构中更为广泛的低频噪声缺乏实用性。因此，设计一种具备低频弹性波带隙并同时能够隔热的热-声超材料对服役于多场环境的装备结构隔声、防热具有十分重要的意义。
由于声超材料与热超材料的物理基础以及几何特征等存在很大区别，见表1。对于兼具低频隔声降噪、防热特性的热-声两场超材料的探索，面临如下挑战性难题：
表1声、热超材料物理性能、几何特征对比
由于描述热场、声场的方程类型不同，且其变量与响应具有不同的物理概念、量纲及数量级等，无法统一描述。此外，如果将热看成一种高频振动，基于单胞尺寸与波长匹配的布拉格散射机制，欲在同一层面内实现热超材料纳米尺度与局域共振型声超材料厘米尺度的单胞设计，几乎不可能。
然而，从热流的宏观层面来看，实现定向控制热流实际是要求材料各处的导热率为各向异性且可以定向设计。而导热率为各向异性的材料在自然界中几乎不存在。因此，我们考虑基于人工设计的具有导热率为各向异性的热超材料，设计具有低频弹性波带隙特性的声超材料，同时保证基体热超材料各处的导热率保持各向异性不被影响，则具有一定的可行性。
发明内容
本发明提出一种适用于热、噪声环境下的热-声两场超材料制备方法，通过热-声超材料一种结构的设计，即将多个局域共振声超材料弹性共振单元嵌入热超材料基体，可同时实现热超材料的热防护功能和声超材料的减振、隔声功能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于热、噪声环境下的热-声两场超材料的制备方法，包括环氧树脂基体、橡胶弹性包覆层、硬质量核心铅组成的局域共振声超材料单胞，周期性排列形成的有限尺寸局域共振声超材料，再将其各个单胞的环氧树脂基体，替换为由乳胶和硅橡胶交替层合形成的层合式热超材料；或将橡胶弹性包覆层与其包覆的硬质量核心铅组成的弹性共振单元，嵌入在由基质材料中填充非球形纳米颗粒形成的颗粒填充式热超材料中。
层合式热超材料的导热率为各向异性，且由乳胶与硅橡胶薄膜层交替层合而成。
层合式热超材料的制备方法为：
将导热率不同的乳胶和硅橡胶交替层合放入琼脂-水背景介质中，根据有效介质法，为了使装置与背景热场融合，当背景介质导热率kh与乳胶A、硅橡胶B的导热率kA、kB满足关系：
时，可以实现热流的最小扰动；由于热流有效波长是发散的，每一层的厚度都必须足够小，保证每一层的温度变化都足够小的ΔT,使得复合效应大于每一层的特性，复合效应占主导作用。在模拟计算时，采用等温线的角度来观测热流的扭曲程度。
颗粒填充式热超材料的导热率为各向异性，且通过在基质材料中填充非球形纳米颗粒制备而成。
颗粒填充式热超材料的制备方法为：
在基质材料中，等效内外半径分别为R1、R2的圆柱壳范围内，填充非球形纳米颗粒D。其理论基础为热传导方程在原始坐标和转换坐标下的形式不变，在球坐标
下新的导热率：
其中，k0为材料在原始坐标下的导热率，kR、kθ、
分别为转换后球坐标下的导热率。
考虑到非球形纳米颗粒的表面热阻，根据有效介质理论，复合材料的导热率可表示为式(0.3)：
其中k'm为考虑非球形纳米颗粒界面热阻得到的纳米颗粒导热率，kr,t表示该方程对颗粒填充式热超材料在径向和切向的导热率分量均适用，Γr,t为几何形状因子，角标r和t分别表示径向和切向，ki是基体介质的热导率，p是纳米颗粒的体积分数，之后根据式(0.2)可以得到材料在径向不同位置的导热率曲线，然后通过调节纳米颗粒的形状和体积分数来拟合这条曲线，进而对颗粒填充式热超材料的导热率进行设计。
本发明的技术效果在于：
1)当热-声两场超材料服役于热环境，其受到不均匀热环境(如一边温度高于另一边温度)发生热传导时，可人为设计层合热超材料4的组分材料的层合厚度、层合角度，以期实现需要的导热率为各向异性的层合热超材料；或通过理论分析及计算颗粒填充式热超材料5的纳米颗粒填充率、几何形状等参数，获得其各向异性的热传导特性，使得热流在材料中传递会改变方向，从而可以实现热-声超材料的热流反转、热流聚集等功能。
2)当热-声两场超材料服役于噪声环境，其受到外界噪声、机械激励时，可通过调节其橡胶弹性包覆层、硬质量核心铅的材料参数及几何参数，获得局域共振型声超材料在特定频段内的弹性波禁带特性。在外界激励频率等于弹性包覆层-硬质量核心的等效弹簧振子的共振频率时，结构振动将由基体通过橡胶弹性包覆层，传递至共振频率较低的弹簧振子上，从而可阻隔弹性波在结构中的传递，使得结构振动衰减，达到减振、降噪的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
热-声两场超材料制备方法的提出，可实现兼具隔声与热防护性能的热-声两场超材料的设计与制备。同时，将单一场的超材料制备与研究延伸至多场超材料制备，可大大简化装备结构复杂的防热、隔声系统设计过程，也使得其制备更为便捷经济。
附图说明
图1是本发明局域共振声超材料单胞构型图；
图2是本发明层合式热超材料构型示意图；
图3是本发明颗粒填充式热超材料构型示意图；
图4是本发明将弹性共振单元嵌入层合式热超材料基体形成的热-声超材料有限结构示意图；
图5是本发明将弹性共振单元嵌入颗粒填充式热超材料形成的热-声超材料有限结构示意图。
附图标记说明如下：1-环氧树脂基体，2-橡胶弹性包覆层，3-硬质量核心铅，4-层合式热超材料，5-颗粒填充式热超材料。
具体实施方式
本发明提出的一种应用于热、噪声环境的热-声两场超材料的制备方法，目的在于通过一种结构的设计，满足多场服役环境下结构的防热与降噪两种功能需求。一种用于热、噪声环境下的热-声两场超材料的制备方法，包括环氧树脂基体1、橡胶弹性包覆层2、硬质量核心铅3组成的局域共振声超材料单胞，周期性排列形成的有限尺寸局域共振声超材料薄板，再将其各个单胞的环氧树脂基体，替换为由乳胶A和硅橡胶B交替层合形成的层合式热超材料4；或将橡胶弹性包覆层与其包覆的硬质量核心铅组成的弹性共振单元，嵌入在由基质材料中填充非球形纳米颗粒形成的颗粒填充式热超材料5中。
层合式热超材料的导热率为各向异性，且由乳胶与硅橡胶薄膜层交替层合而成。
层合式热超材料的制备方法为：
将导热率不同的乳胶和硅橡胶交替层合放入琼脂-水背景介质中，根据有效介质法，为了使装置与背景热场融合，当背景介质导热率kh与材料乳胶A、硅橡胶B的导热率kA、kB满足关系：
时，可以实现热流的最小扰动；由于热流有效波长是发散的，每一层的厚度都必须足够小，保证每一层的温度变化都足够小的ΔT,使得复合效应大于每一层的特性，复合效应占主导作用，在模拟计算时，采用等温线的角度来观测热流的扭曲程度。
颗粒填充式热超材料的导热率为各向异性，且通过在基质材料中填充非球形纳米颗粒制备而成。
颗粒填充式热超材料的制备方法为：
在等效内、外半径分别为R1、R2的圆柱壳范围内，填充非球形纳米颗粒D。其理论基础为热传导方程在原始坐标和转换坐标下的形式不变。扭曲空间在球坐标
下新的导热率：
其中，k0为材料在原始坐标下的导热率，kR、kθ、
分别为转换后球坐标下的导热率。
考虑到非球形纳米颗粒的表面热阻，根据有效介质理论，复合材料的导热率可表示为式(0.3)：
其中k'm为考虑非球形纳米颗粒界面热阻得到的纳米颗粒导热率，kr,t表示该方程对颗粒填充式热超材料5在径向和切向的导热率分量均适用，Γr,t为几何形状因子，角标r和t分别表示径向和切向，ki是基体介质的热导率，p是纳米颗粒的体积分数，之后根据式(0.2)可以得到材料在径向不同位置的导热率曲线，然后通过调节纳米颗粒的形状和体积分数来拟合这条曲线，进而对颗粒填充式热超材料5的导热率进行设计。
单一的局域共振型声超材料，可通过橡胶弹性包覆层2包覆硬质量核心铅3组成弹性共振单元，嵌入环氧树脂基体材料1中，构成质量-弹簧-质量系统，其结构如图1所示。其特征为通过调节该单胞结构组分的几何及材料参数打开其特定频段的弹性波禁带，从而在一定频率范围内可阻隔弹性波在结构中的传递，且其弹性波禁带的频段及带宽可通过调节单胞结构的几何尺寸、材料、几何构型以及对称性等加以调节。
单一的层合式热超材料4可通过将导热率及厚度不同的乳胶A和硅橡胶B薄板材料以一定的铺设角θ交替层合，实现导热率各向异性的层合式热超材料4的制备，其结构如图2所示。通过数值计算，可验证组分材料不同导热率、不同层合厚度以及铺设角θ对导热率的各向异性影响程度。进而由于各向异性导热率会改变热流方向，从而实现热流在特定方向的流动，如热流聚集、热流反转等。单一的颗粒填充式热超材料5可通过在均匀各向同性基质材料C中填充一定体积分数的几何形状及导热率均不同的非球形纳米颗粒D，其结构如图3所示。数值计算验证坐标转换下的基体板内填充一定体积分数纳米颗粒的各向异性导热率。进而由于其各向异性导热率会调节板结构的热流方向，可实现颗粒填充式热超材料5的热防护性能。
热-声两场超材料的制备，以制备的有限尺度的层合式热超材料4代替环氧树脂基体1，周期性的嵌入多个由橡胶弹性包覆层2包覆硬质量核心铅3组成的弹性共振单元，形成有限周期结构的层合式各向异性热-声超材料，其结构如图4所示；或以制备的颗粒填充式热超材料5代替环氧树脂基体1，在其中周期性的嵌入多个由橡胶弹性包覆层2包覆硬质量核心铅3组成的弹性共振单元，形成有限周期结构的颗粒填充式各向异性热-声超材料，其结构如图5所示。通过对局域共振声超材料与热超材料分别进行合理设计，从而在制备的热-声两场超材料中，可同时实现层合式热超材料4或颗粒填充式热超材料5的热流定向流动以及由热超基体材料，橡胶弹性包覆层2和硬质量核心铅3组成的局域共振声超材料禁止弹性波传递的禁带特性。最终通过以上提出的热-声超材料制备方法，实现具备热防护及隔声两种特性的热-声超材料制备。
本发明提出的热-声两场超材料的制备方法，拟针对以某类各向异性热超材料为基体的局域共振型声超材料开展设计。在其设计到制备过程中，还必须要考虑包括热效应(热应力、热变形)作用下的局域共振单胞带隙演变规律；热超材料中嵌入局域共振弹性单元时，其热流性能受到的影响等。最终实现兼具低频隔声与防热两种超常功能的热-声两场超材料制备，为尖端装备结构在多场服役环境下的减振、降噪及防热系统设计提供新的途径。
Claims (1)
1.一种用于热噪声环境下的热-声两场超材料的制备方法，其特征在于：包括环氧树脂基体(1)、橡胶弹性包覆层(2)、硬质量核心铅(3)组成的局域共振声超材料单胞，周期性排列形成的有限尺寸局域共振声超材料薄板，再将其各个单胞的环氧树脂基体(1)，替换为由乳胶(A)和硅橡胶(B)交替层合形成的层合式热超材料(4)；或将橡胶弹性包覆层(2)和其包覆的硬质量核心铅(3)组成的弹性共振单元，嵌入在由基质材料(C)中填充非球形纳米颗粒(D)形成的颗粒填充式热超材料(5)中；层合式热超材料(4)特征在于：导热率为各向异性，且由乳胶(A)与硅橡胶(B)薄膜层交替层合而成；层合式热超材料(4)的制备方法为：将导热率不同的乳胶(A)和硅橡胶(B)交替层合放入琼脂-水背景介质中，根据有效介质法，为了使装置与背景热场融合，当背景介质导热率kh与材料(A)、(B)的导热率kA、kB满足关系：
时，可以实现热流的最小扰动；由于热流有效波长是发散的，每一层的厚度都必须足够小，保证每一层的温度变化都足够小的ΔT,使得复合效应大于每一层的特性，复合效应占主导作用，在模拟计算时，采用等温线的角度来观测热流的扭曲程度；颗粒填充式热超材料(5)的特征在于：导热率为各向异性，且通过在基质材料(C)中填充非球形纳米颗粒(D)制备而成；颗粒填充式热超材料(5)的制备方法为：在基质材料(C)中,等效内、外半径分别为R1、R2的圆柱壳范围内，填充非球形纳米颗粒(D)；其理论基础为热传导方程在原始坐标和转换坐标下的形式不变，通过坐标变换，扭曲空间新的导热率在球坐标
下的表达式为：
其中，k0为材料在原始坐标下的导热率，kR、kθ、
分别为转换后球坐标下的导热率；考虑到非球形纳米颗粒的表面热阻，根据有效介质理论，颗粒填充式热超材料(5)的导热率可表示为式(0.3)：
其中k'm为考虑非球形纳米颗粒界面热阻得到的纳米颗粒导热率，kr,t表示该方程对颗粒填充式热超材料(5)在径向和切向的导热率分量均适用，Γr,t为几何形状因子，角标r和t分别表示沿径向和切向，ki是基体介质的热导率，p是纳米颗粒的体积分数，之后根据式(0.2)可以得到材料在径向不同位置的导热率，然后通过调节纳米颗粒的形状和体积分数来拟合这条曲线，进而对颗粒填充式热超材料(5)的导热率进行设计。
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