CN114800982B - 基于周期热场的频率可调控一维声子晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于周期热场的频率可调控一维声子晶体及其制备方法。所述声子晶体包括：若干三维的声子晶体单胞(1)及位于各相邻的所述声子晶体单胞(1)之间的加热电路(2)，其中所述三维声子晶体单胞(1)由具有弹性模量对温度敏感特性的聚合物材料形成，所述加热电路(2)在相邻的所述声子晶体单胞(1)间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成螺旋形环路，并相互连通。本发明可获得基于热场的、可对弹性波调控的一维均一声子晶体，其可通过改变加热功率连续调节声子晶体的带隙位置及带隙宽度，克服了传统声子晶体无法调节带隙、调节带隙范围窄、调节方式繁琐单一的不足。

Description

基于周期热场的频率可调控一维声子晶体及其制备方法

技术领域

本发明涉及声子晶体的技术领域。

背景技术

弹性波在周期性结构中传播时，会出现特定频率传播效率显著降低的现象，这种具有弹性波带隙效应的周期性结构被称为声子晶体。一般情况下，一旦声子晶体的相关参数确定，其带隙的位置及宽度也随之确定，在不改变参数的情况下无法改变。因此，在实际应用过程中，需要改变声子晶体的相关参数，从而对弹性波带隙进行调控，使结构更灵活地适应多个弹性波频段，这种改变结构本身与材料的方法不仅过程繁冗且成本较高，且不能根据所需频段及时调节频率。针对该问题，一种有效而便捷的方法是直接利用材料的温度敏感特性进行调控。

现有的通过温度调控带隙的声子晶体，采用的都是多种组分，其基体与散射体采用不同的材料，这些声子晶体的制备过程相对繁琐，需要分别制备基体与散射体并完成组装。并且，基体与散射体之间存在明显的界面，在加工过程中不可避免地会出现一定的误差，使得制备后得到的实物中散射体与基体之间的相对位置与设计图存在偏差，影响声子晶体的带隙特性。

另外，现有的通过温度调控频率带隙的声子晶体，基底采用的是弹性模量较低的材料，散射体大部分采用的是形状记忆合金材料，这类材料的杨氏模量大，且具有两种相，其在低温状态下为杨氏模量较低的马氏体相在高温状态下为杨氏模量较高的奥氏体相。通过温度的变化，引起散射体杨氏模量的变化，从而实现带隙调控。然而，形状记忆合金具有工作温度窗口窄、循环稳定性差、高温热软化等缺点，使其发展和应用受到限制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可采用对温度敏感的单一材料，仅依靠其内部热场分布引起的材料弹性模量差异来获得一维声子晶体的带隙的新型声子晶体及系统，该声子晶体或系统的制备过程相对简单，避免了不同组分材料之间的界面问题，可实现更理想的带隙特性。进一步的，该声子晶体可采用环氧树脂材料，在其杨氏模量可随温度变化发生改变的前提下，其可解决采用形状记忆合金的一系列缺点。本发明的目的还在于提供该声子晶体或系统的制备方法。

本发明首先提供了如下的技术方案：

基于周期热场的频率可调控一维声子晶体，其包括：若干三维的声子晶体单胞(1)及位于各相邻的所述声子晶体单胞(1)之间的加热电路(2)，其中所述三维声子晶体单胞(1)由具有弹性模量对温度敏感特性的聚合物材料形成，所述加热电路(2)在相邻的所述声子晶体单胞(1)间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成螺旋形环路，并相互连通。

根据本发明的一些优选实施方式，所述聚合物材料选自环氧树脂。

根据本发明的一些优选实施方式，所述环氧树脂材料满足以下温敏特性：

其中，E表示杨氏模量，T表示温度。

根据本发明的一些优选实施方式，所述加热电路由聚酰亚胺覆铜板形成。

根据本发明的一些优选实施方式，所述聚酰亚胺覆铜板的上层材料为厚度18μm的铜箔，下层材料为厚度12.5μm的聚酰亚胺薄膜，两层材料中间为13μm的胶黏层。

根据本发明的一些优选实施方式，所述晶体单胞(1)的尺寸为20×20×20mm，由相邻晶体单胞间的加热电路形成的加热单元的尺寸为19.4mm×19.4mm，每个加热单元包含8条平行的蛇形导线，每条蛇形导线的宽度为1.9mm，相邻导线间距为0.6mm。

根据本发明的一些优选实施方式，所述加热电路(2)为双层结构，其中，上层为螺旋形环路，下层为网状的聚酰亚胺层，不同晶体单胞间的螺旋形环路相互串联，其对应的网状的聚酰亚胺层形成并联。

本发明进一步提供了上述声子晶体的制备方法，其包括：

根据所述晶体单胞的尺寸和形态选择单胞模具，并根据由所述声子晶体单胞及所述加热电路组装成的一维声子晶体的整体尺寸和形态选择整体模具；

将环氧树脂材料的组分按比例混合均匀，得到未固化的环氧树脂混合物；

将所述环氧树脂混合物加入所述单胞模具中，并进行真空操作除去混合物中的气泡；

将预热后的含环氧树脂混合物的单胞模具在常温下静置，至其固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体单胞；

将各声子晶体单胞加入所述整体模具中，在相邻声子晶体单胞间放置所述加热电路，其后在缝隙间加入所述环氧树脂混合物，并在常温下静置固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述单胞模具和/或所述整体模具的材料选自硅胶、聚氯乙烯(PVC)板、亚力克板中一种或多种。

根据本发明的一些优选实施方式，脱模使用的脱模剂选自凡士林、和/或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

根据本发明的一些优选实施方式，所述固化的时间为常温下固化10～14小时。

本发明制备得到的声子晶体实物的带隙特性与理论结果更为接近，其通过周期排列的蜿蜒蛇形加热电路，可获得周期分布的温度场进而获得周期分布的杨氏模量，通过改变蜿蜒蛇形加热电路的发热功率进而实现频率带隙调控，无需进行外部加热。

本发明的声子晶体选择弹性模量对温度敏感特性的环氧树脂材料，并借助蛇形蜿蜒结构电路进行加热，仅依靠因其内部热场分布引起的材料弹性模量差异来获得该类一维声子晶体的带隙，当加热功率变化时，结构中的热场是连续变化的，进而可以通过改变加热功率获得连续变化的弹性模量分布，实现对一维声子晶体带隙的连续调控。

本发明的加热电路采用蛇形蜿蜒结构串联，可实现各处电流相等，达到均匀发热的目的。

本发明的声子晶体选取均一的环氧树脂材料，在全域同温时，没有基体与散射体之分；因其杨氏模量对温度较为敏感，可通过周期温度场产生弹性模量的周期性变化，并且可以通过改变加热功率，实现对散射体填充率的改变。

本发明可获得基于热场的、可对弹性波调控的一维均一声子晶体，其通过改变加热功率连续调节声子晶体的带隙位置及带隙宽度，克服传统声子晶体无法调节带隙、调节带隙范围窄、调节方式繁琐单一的不足，为弹性波的控制提供了一种新的技术构思。

附图说明

图1为一具体实施方式中声子晶体系统的结构正视图。

图2为图1所示声子晶体系统的结构俯视图。

图3为图1所示声子晶体系统的三维视图。

图4为蛇形加热电路示意图，其中(a)加热单元电路；(b)加热单元组合电路；(c)加工后的加热电路。

图5为实施例1中的加工模具示意图，其中(a)单胞模具；(b)整体模具。

图6为实施例1中的涂抹脱模剂后的模具示意图，其中(a)单胞模具；(b)整体模具。

图7为实施例1中的声子晶体单胞加工过程示意图，其中(a)模具加工结构；(b)脱模后的成型体。

图8为实施例1中的声子晶体整体加工过程示意图，其中(a)模具加工结构；(b)脱模后的成型体。

图9为双层结构的螺旋型环路加热电路示意图，其中(a)上层电路结构，(b)下层支撑结构。

图10为晶格常数(周期方向单胞尺寸)对声子晶体的带隙影响。

图11为晶格常数改变时，带隙的位置及宽度。

图12为温度对声子晶体的带隙影响。

图13为温度改变时，带隙的位置及宽度。

图14为实施例2中红外热像仪记录的声子晶体热场分布图像。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

参照图1～3，根据本发明的技术方案，一种具体的基于周期热场频率可调控的均质一维声子晶体包括：由若干具有弹性模量对温度敏感特性的环氧树脂材料形成的三维声子晶体单胞1及位于相邻声子晶体单胞1之间的加热电路2，其中，所述加热电路2在相邻的所述声子晶体单胞间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成环路，并相互连通。

进一步的，所述加热电路优选满足：(1)相邻声子晶体单胞之间的加热电路相互串联，以保证各处电流相等；(2)形成蛇形或环路的每段导线间间距不宜过大，以免加热不均，如间距在导线宽度的30％～40％之间；(3)所述导线的宽度较小，如宽度为1.5～2.5mm。另外，加热电路的加工尺寸应满足紫外激光加工系统的加工精度。

在其他一些实施例中，为避免加工出来的加热电路形成乱线，必要时可采用双层的电路结构，如上层为串联铜电路，下层为网状并联的PI层，通过下层PI层支撑上层铜电路，如附图9所示的螺旋型环路结构的加热电路，其支撑能力相对较差，可采用双层结构，其中如图9(a)为上层螺旋结构铜电路，图9(b)为下层PI支撑结构。相对比的，采用蛇形蜿蜒结构的支撑能力较好，不易散开。

优选的，所述环氧树脂为低粘度环氧树脂如EpoThin 2低粘度环氧树脂，其固化后密度为1180kg/m³，泊松比为0.3。

在其他一些实施方式中，所述环氧树脂材料也可替换为其他弹性模量随温度变化的材料，如：形状记忆聚合物材料(SMP)。

优选的，所述环氧树脂材料满足以下温敏特性：

E表示杨氏模量，T表示温度。

上述声子晶体由单一组分的环氧树脂材料制成，周期性地嵌入蛇形或环形加热电路，可以得到周期热场，其中周期热场引起的杨氏模量变化代替了传统的多组分周期材料或结构。因此，在这种均匀声子晶体中，可以通过改变蛇形或环形加热电路的发热功率，改变内部热场分布，进而对带隙进行主动调控。

在一些具体实施例中，所述晶体单胞的尺寸会对声子晶体的频率带隙产生影响。如在蛇形加热电路下，取单胞的底面长度(晶格常数)分别为10mm、20mm、40mm，底面宽度及单胞高度均为20mm，在加热温度40℃，环境温度20℃时，所有垂直于声子晶体周期方向的截面上的温度分布近似于处处相等，沿着声子晶体的周期方向上的温度近似于线性分布，可将该声子晶体简化为一维问题，其分别形成的纵向带隙如附图10(a-c)分别所示，将纵向带隙位置和宽度与频率调控范围的关系进行分析，如附图11所示，可以看出，晶格常数与频率调控范围之间存在反比的关系。

在一具体实施例中，本发明选用20mm的晶格常数(a＝20mm)，基于Bragg散射型，带隙内频率所对应的波长λ与晶格常数a在同一数量级，假设λ＝a，则带隙频率f可通过以下表达式进行估算：

f＝c/λ (2)

其中c表示纵波波速，表示为：经计算，f在10kHz这一数量级。

在此基础上，通过改变温度进而改变声子晶体内部的杨氏模量分布，可对5～80kHz这一更宽的频率范围内的纵波进行调控。

优选的，所述加热电路由聚酰亚胺柔性覆铜板(PI覆铜板)加工得到，更优选的，所述PI覆铜板的上层材料为厚度18μm的铜箔，下层材料为厚度12.5μm的聚酰亚胺薄膜，两层材料中间为13μm的胶。

在一些具体实施例中，所述加热电路为蛇形蜿蜒结构，参考图4(a)，在晶格尺寸为20×20×20mm时，由相邻晶胞间的加热电路形成的加热单元的尺寸优选为略小于晶胞接触面的尺寸，如19.4×19.4mm，在该尺寸下，优选包含8条平行的蛇形导线，每条蛇形导线的宽度为1.9mm，相邻导线间距为0.6mm，在选取以上优选结构时，在单胞截面范围内能保证温差低于0.5℃，由式(1)可知，在20～41.7℃范围内0.5℃影响的杨氏模量在36.65MPa以内，温度在41.7℃以上时0.5℃影响的弹性模量在3.165×10^-2MPa以内，从而不会影响带隙。

进一步的，上述声子晶体的一些具体制备方法可包括：

(1)加热电路制备：

根据加热电路设计图纸，将聚酰亚胺(PI)柔性覆铜板加工为所述加热电路，其加工方式可经红外激光加工系统或紫外激光加工系统进行切割等。

(2)声子晶体制备：

根据单胞尺寸和形态选择单胞模具，并根据由所述声子晶体单胞及所述加热电路组装成的一维声子晶体的整体尺寸和形态选择整体模具，所述模具的材料可选硅胶、亚克力板等。

将环氧树脂材料的A剂如环氧树脂AGB8187与B剂固化剂如AGB8188按照体积2:1的比例称量、混合均匀，得到未固化的环氧树脂混合物。

在所述单胞模具内涂抹脱模剂如凡士林、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等后，将所述环氧树脂混合物加入其中，并在室温下进行真空，去除混合物中的气泡。

将预热后的含环氧树脂混合物的单胞模具在常温下静置12小时，使其缓慢固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体单胞。

将各声子晶体单胞加入涂抹涂膜剂如凡士林后的整体模具中，在相邻声子晶体单胞间放置所述加热电路，其后在缝隙间加入所述环氧树脂混合物，并在常温下静置12小时，使其缓慢固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体。

上述环氧树脂模具采用硅胶模具时，模具可循环使用，其材质较软，便于进行脱模操作。

在另一些实施例中，所述模具可通过以下加工方法得到：将聚氯乙烯(PVC)板或亚克力板，裁剪后用热熔胶进行粘连，在缝隙处使用光固化树脂(辐射光固化树脂，UV树脂)填充，用紫外灯照射10～15s即可完成固化，形成模具。使用该类模具时，无需在内壁涂抹脱模剂，可直接将环氧树脂倒入，进行真空除气泡、静置固化的操作，固化后塑料板直接进行拆除。该类模具制作较容易，节约时间，且无需涂抹脱模剂，脱模过程简单，直接将粘连处相互分离即可，但难以重复使用。

实施例1

根据以下过程制备一个含有20个声子晶体单胞、19个加热电路单元的基于周期热场的频率可调控一维声子晶体：

(1)参照附图4，对加热电路进行加工，包括：

在CAD软件中绘制蛇形导线结构加热电路，单个加热单元如图4(a)，由19个该加热单元连通的整体加热电路如图4(b)所示。

将图纸导入多功能紫外激光加工系统，取PI覆铜膜切割出该蛇形电路的结构，得到加工后的加热电路，如图4(c)所示。

(2)参照附图5-8，对声子晶体进行整体加工，包括：

准备20个20×20×20mm的立方体形硅胶模具I，如图5(a)，用来进行声子晶体单胞的制作，再准备一个400×20×20mm的硅胶模具II，如图5(b)，用来将声子晶体单元与蛇形蜿蜒结构加热电路组装，得到最终的声子晶体成品。

选用环氧树脂材料EpoThin 2低粘度环氧树脂(Epoxy Resin 20-3440-032)，将A剂与B剂按照体积2:1比例称量，搅拌均匀，得到环氧树脂混合物。

在准备好的硅胶模具I、模具II中涂适量脱模剂凡士林4，有助于固化后的环氧树脂材料与硅胶模具分离，如附图6(a)、6(b)所示。

在水平台上放置一平板，将涂好脱模剂的多个模具I置于平板上，将环氧树脂混合物5缓慢倒入模具中，如附图7(a)所示。

通过平板，将模具I放入真空干燥箱内，通过真空，排出环氧树脂混合物5中的气泡。

通过平板，将模具I取出，放置在水平台上，常温下静置12小时，使其缓慢固化。

完全固化后，进行脱模操作，得到固化后的环氧树脂声子晶体单胞6，如附图7(b)所示，用酒精洗去单胞表面的凡士林。

将所得环氧树脂声子晶体单胞依次放入模具II中，并依次将多个加热电路单元置于相邻的单胞之间，如附图8(a)所示，待完成后，将环氧树脂混合物缓慢倒入缝隙中，重复常温静置固化的过程，进行第二次固化，其后脱模、洗涤，得到声子晶体成品，如附图8(b)所示。

实施例2

对实施例1的声子晶体导线通电，对声子晶体进行局部加热，图12(a-c)分别表示当加热单元处温度为40℃、50℃、60℃时，第一、第二、第三纵向带隙的情况。图13中的短线清楚地表示纵向带隙的位置和宽度。可以观察到，在加热单元处温度上升时(即加热功率增大时)，带隙的位置在向低频位置移动，并且第一带隙的宽度逐渐降低，证明了通过改变加热单元的加热功率，可以较好地对带隙进行调控。图14为加热后用红外热像仪记录的声子晶体热场分布情况，从图中可以看出，所有垂直于声子晶体周期方向的截面上的温度分布近似于处处相等，沿着声子晶体的周期方向上的温度近似于线性分布，将该声子晶体简化为一维问题。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于周期热场的频率可调控一维声子晶体，其特征在于，其包括：若干三维的声子晶体单胞(1)及位于各相邻的所述声子晶体单胞(1)之间的加热电路(2)，其中所述三维的声子晶体单胞(1)由具有弹性模量对温度敏感特性的聚合物材料形成，所述加热电路(2)在相邻的所述声子晶体单胞(1)间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成螺旋形环路，并相互连通。

2.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述聚合物材料选自环氧树脂。

3.根据权利要求2所述的声子晶体，其特征在于，所述环氧树脂材料满足以下温敏特性：

其中，E表示杨氏模量，T表示温度。

4.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述加热电路由聚酰亚胺覆铜板形成。

5.根据权利要求4所述的声子晶体，其特征在于，所述聚酰亚胺覆铜板的上层材料为厚度18μm的铜箔，下层材料为厚度12.5μm的聚酰亚胺薄膜，两层材料中间为13μm的胶黏层。

6.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述晶体单胞(1)的尺寸为20×20×20mm，由相邻晶体单胞间的加热电路形成的加热单元的尺寸为19.4mm×19.4mm，每个加热单元包含8条平行的蛇形导线，每条蛇形导线的宽度为1.9mm，相邻导线间距为0.6mm。

7.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述加热电路(2)为双层结构，其中，上层为螺旋形环路，下层为网状的聚酰亚胺层，不同晶体单胞间的螺旋形环路相互串联，其对应的网状的聚酰亚胺层形成并联。

8.权利要求1-7中任一项所述的声子晶体的制备方法，其包括：

根据所述晶体单胞的尺寸和形态选择单胞模具，并根据由所述声子晶体单胞及所述加热电路组装成的一维声子晶体的整体尺寸和形态选择整体模具；

将环氧树脂材料的组分按比例混合均匀，得到未固化的环氧树脂混合物；

将所述环氧树脂混合物加入所述单胞模具中，并进行真空操作除去混合物中的气泡；

将预热后的含环氧树脂混合物的单胞模具在常温下静置，至其固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体单胞；

将各声子晶体单胞加入所述整体模具中，在相邻声子晶体单胞间放置所述加热电路，其后在缝隙间加入所述环氧树脂混合物，并在常温下静置固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，其中，所述单胞模具和/或所述整体模具的材料选自硅胶、聚氯乙烯、亚力克板中的一种或多种；和/或，使用凡士林和/或聚二甲基硅氧烷作为脱模剂。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固化的时间为常温下固化10～14小时。