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1、中国科学:技术科学2014年第44卷第12期:1261~1270《中国科学》杂志社论文www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS基于弹性力学的超构材料*阮居祺,卢明辉,陈延峰,祝世宁南京大学固体微结构国家重点实验室与材料科学与工程系,南京210093*E-mail:luminghui@nju.edu.cn收稿日期:2014-09-10;接受日期:2014-09-26摘要近年来以微结构为基本构造单元的人工超构材料,由于具有自然材料所不具备的关键词可设
2、计的奇异物性,在材料学、声学、光学、电磁学以及信息能源等领域具有巨大的发展潜弹性力学声子晶体力.超构材料的研究脱胎于电磁超构材料,但是近年来在声学、热学、静电、静磁学以及弹超构材料性力学领域取得了飞跃的发展,大大拓展了超构材料的研究领域.借助Milton图重点阐述拉胀材料了基于弹性力学的新型超构材料的超常特性及其主要类别:例如具有负的质量密度和负弹变换力学性模量的声学超构材料,具有负泊松比的拉胀超构材料,具有剪切模量G=0的反胀超构材料,以及高强度的超轻材料等新奇的人工超构材料.不仅如此,还结合变换力学着
3、重描述了声波和弹性波在这类弹性力学超构材料中的传播特性,以及详细阐述了负弹性参数超构材料界面的声表面波的特征及其物理效应.最后结合弹性力学超构材料在我国的研究现状,对利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵弹性波和声波的传播以及开发设计新型弹性力学超构材料等问题作了总结与展望,希望推进此类材料在诸多研究领域的应用.1引言周期性调制的一类人工复合材料,可像光子晶体调控光波一样调控弹性波的激发、传输与耦合,进而调超构材料即以微结构为基本构造单元的人工材控整个材料宏观的力学、声学特性[2].研究者不仅能料,具有很
4、多自然材料不具备的可设计超常物性.超改变声子晶体中的人工点阵(或叫“超晶格”),还能人构材料的基本物性取决于其微结构单元的特性(如形为地设计每个格点位置上的“人工原子”.于是声子状因子与手性、共振与激发)以及微结构单元在空间晶体的概念进一步拓展到了声学超构材料.在这类的分布(如间距、耦合、对称性).材料中,单体共振源于单个“人工原子”,它能与源自[1]光子晶体、电磁超构材料和变换光学等新材料晶格对称性的布拉格共振协同产生很奇异的力学和与新方法可以用于调控光波和电磁波的激发、传播与声学特性.耦合特性.由于弹
5、性波类似电磁波都能用经典的波目前一些研究人员认为声学超构材料是有着超动方程描述,其物理原理及数学方法上的相似性直常规声学效应的、尺寸远小于波长的结构单元构成的接导致了声超构材料、变换声学等概念的出现.近年人工复合结构材料,其可在长波极限下反演得到相来声子晶体作为体弹模量或质量密度等弹性参数可应的有效弹性参数.但是另一些学者认为声学超构引用格式:阮居祺,卢明辉,陈延峰,等.基于弹性力学的超构材料.中国科学:技术科学,2014,44:1261–1270RuanJQ,LuMH,ChenYF,etal.Metam
6、aterialbasedonelasticmechanics(inChinese).SciSinTech,2014,44:1261–1270,doi:10.1360/092014-102阮居祺等:基于弹性力学的超构材料材料这一概念应当拓展到包含声子晶体在内的所有构材料,会在低于其固有频率时显示宽带的负质量密[3]具有奇异性能的人工复合结构材料.声学超构材料度,可用于抗震隔声.这种类似金属表面等离极化激可展现出许多奇异的物理现象和效应,如声波的低元的负质量密度,有利于在其结构表面激发声学波.[4][5][6
7、]频带隙、负折射、隐身等.所谓基于弹性力学的采用局域共振单元获得的负密度或负模量的带超构材料泛指具有超常规力学性能的一类人工复合宽一般较窄,故考虑用其它方式获得频率响应较宽材料,该类材料的弹性力学性能不仅受限于其微结的负参量.用侧壁开有小孔的管子可以实现负模量,构组分,还强烈依赖于它的结构.因此基于弹性力学而用中间带有较大质量小振子的薄膜横振动可以获的超构材料包含声学超构材料,它能展示出均匀材得负有效密度.将这两种结构组合之后可以在一维[9]料不具备的奇异弹性力学性能:如负密度、负弹性模上实现宽频响应的双
8、负参数.利用不同阶数的FP量、各向异性密度张量、负泊松比等.这类材料将在共振,沿波传播方向和垂直波传播方向的有限长狭材料学、声学、结构力学、建筑学、地震学等学科领缝的FP共振分别对应于密度和弹性模量共振,可实[10][11]域具有重要研究价值,同时在新型材料、信息、能源现有效的零质量密度.香港城市大学Li课题组技术方面会有重要应用.特别要注意的是,由于服役采用迷宫结构,在不增加结构整体尺寸的情况下增环境和条件不同,针对弹性力学
