在航空航天、軌道交通、建筑制造等眾多工程領(lǐng)域，噪聲和沖擊危害無處不在，迫切需要能夠同時吸收聲音和應(yīng)力波能量的材料。針對這一挑戰(zhàn)，香港大學陸洋教授、中南大學王中鋼教授和香港理工大學余翔助理教授合作開展研究，以烏賊骨為靈感，通過弱耦合設(shè)計，提出了具有的吸聲和機械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料。該超材料通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造，使用高強度Ti6Al4V合金。Ti6Al4V合金提供了高強度、耐腐蝕性和高溫性能，有助于穩(wěn)定的吸聲。實驗結(jié)果表明：所提超材料實現(xiàn)了緊湊尺寸下寬帶高效吸聲(1.0至6.0 kHz平均吸聲系數(shù)0.8)，且其非線性曲壁特征引導(dǎo)了塑性段穩(wěn)定漸進變形而非直壁構(gòu)型的大面積解體破壞，較大程度提升了塑變吸能能力。該研究成果以"Unprecedented mechanical wave energy absorption observed in multifunctional bioinspired architected metamaterials"為題，發(fā)表在期刊NPG Asia Materials上。

一、研究背景

在實際工程中，噪聲和沖擊波的危害普遍存在，這促使人們尋求能夠同時吸收聲波和應(yīng)力波能量的材料。作者指出，設(shè)計這種多功能材料是一個挑戰(zhàn)，因為它需要同時優(yōu)化材料的吸聲和機械性能。例如，在航空航天工程中，吸聲襯墊不僅要減少噪音，還要能夠承受潛在的局部沖擊。

為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開始探索模仿自然界生物結(jié)構(gòu)的先進材料設(shè)計。增材制造技術(shù)的發(fā)展促進了生物啟發(fā)型超材料的興起，這類材料具有的屬性，通常在自然界中找不到。在過去的幾十年中，研究人員一直致力于提高傳統(tǒng)材料如穿孔板、泡沫和織物的吸聲效率，開發(fā)了多種新型吸聲超材料和先進的多孔材料，如氣凝膠和石墨烯泡沫。

然而，研究人員面臨著在高強度和寬帶吸聲之間找到平衡的難題。文章提出，為了實現(xiàn)理想的機械波能量吸收材料，需要一種新的設(shè)計方法。這種方法靈感來源于烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu)，它具有固有的強度、韌性和可適應(yīng)的細胞特征。烏賊骨的“墻-隔板"結(jié)構(gòu)和細胞壁的不對稱彎曲模式為設(shè)計吸聲器提供了潛力，并且在力學中很重要。

文章介紹了通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制造的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs），這種材料使用高強度的Ti6Al4V合金。這些超材料在實驗中顯示出了優(yōu)異的吸聲性能，平均吸聲系數(shù)為0.80，且在21毫米的緊湊厚度下，77%的數(shù)據(jù)點超過了0.75的閾值。此外，這些超材料還展現(xiàn)出了機械性能，包括高模量、高強度和超高的比能量吸收。這項研究為設(shè)計具有理想聲學和機械性能的多功能材料提供了新的視角。

二、設(shè)計原則

研究介紹了如何從烏賊骨的微觀結(jié)構(gòu)中汲取靈感，設(shè)計出具有吸聲和機械性能的生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）。

1.自然微觀特征：

烏賊骨的“墻-隔板"微觀結(jié)構(gòu)通過掃描電子顯微鏡（SEM）揭示，展示了其堅固的多室結(jié)構(gòu)和波動的細胞壁。

烏賊骨細胞壁的非線性彎曲特征被特別強調(diào)，這種特征在以往的研究中常被忽視，但對于力學性能至關(guān)重要。

2.異質(zhì)吸聲材料：

設(shè)計了三層級聯(lián)的共振板，并在其中引入了耗散孔，以提高吸聲效率。

基于級聯(lián)共振的概念，設(shè)計了異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將超材料分為兩個并行部分（Part 1和Part2），每個部分都包含三個串聯(lián)電路，形成了多模態(tài)混合共振系統(tǒng)。

3.彎曲細胞壁：

細胞壁的設(shè)計模仿了烏賊骨的自然曲率，并且結(jié)合了水平方向的正弦波模式，以增強吸聲性能。

不同的彎曲級別（如直線墻和不同的A0值）被用來研究其對材料性能的影響。

4.弱耦合設(shè)計方法：

提出了一種“弱耦合"設(shè)計方法，允許聲學和機械單元幾乎獨立設(shè)計，從而實現(xiàn)高度定制化的聲音和應(yīng)力波能量吸收性能。

這種設(shè)計方法使得吸聲性能由共振板的幾何形狀和排列模式控制，而對軸向機械性能影響不大；反之，細胞壁的形狀決定了應(yīng)力波能量吸收，但對吸聲性能影響甚微。

第三章：材料制備方法

1.樣品制造：

使用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，以Ti6Al4V合金為材料進行加工。

激光功率設(shè)置為500W，打印層厚度為60微米，掃描速度為1200毫米/秒。

去除殘留的粉末，材料從基板上切割下來。

2.材料參數(shù)測定：

在Instron       8501設(shè)備上進行拉伸測試，以確定材料參數(shù)。

得到的材料參數(shù)包括彈性模量Es、初始屈服強度σ0、泊松比ν和密度ρs。

3.吸聲測量：

使用標準雙麥克風設(shè)置（SKCZT13），遵循ISO10534-2標準進行吸聲系數(shù)測量。

樣品直徑為30毫米，固定在樣品架上。

測試頻率范圍從0.8 kHz到6.3kHz。

4.機械性能測量：

使用Shimadzu  AG25-TB萬能試驗機進行壓縮實驗。

樣品以0.002  s–1的應(yīng)變率進行軸向準靜態(tài)加載。

壓縮方向與SLM構(gòu)建方向平行的一對面對齊。

使用數(shù)字相機記錄變形模式。

5.有限元方法（FEM）：

開發(fā)有限元（FE）模型，使用COMSOL Multiphysics軟件。

對于吸聲特性，使用熱粘性聲學模塊，并結(jié)合邊界層理論。

對于壓縮模型，模擬多細胞結(jié)構(gòu)的塑性大應(yīng)變變形。

通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線驗證模型的準確性。

第四章 結(jié)果和討論

1.超常、寬帶、高效的吸聲性能：

MBAMs展示了聲音吸收能力，其平均吸聲系數(shù)α在1.0至6.0kHz的頻率范圍內(nèi)超過0.77，最高平均吸聲系數(shù)達到0.80，77%的數(shù)據(jù)點超過了0.75的閾值。

盡管厚度僅有21毫米，MBAMs的吸聲性能卻遠超一般趨勢，表明了其在吸聲效率上的顯著優(yōu)勢。

2.物理機制：

MBAMs由兩個并行的共振系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)都包含三個級聯(lián)的共振單元。這些共振單元對整體設(shè)計的貢獻在于它們提供了不同的表面阻抗，從而增強了吸聲性能。

通過耦合模式理論，分析了共振器的反射系數(shù)，揭示了在“臨界耦合"條件下，即輻射衰減率等于內(nèi)在損耗率時，實現(xiàn)了吸聲。

3.剛度、強度、損傷容限和能量吸收：

通過軸向壓縮測試，研究了MBAMs的機械響應(yīng)。結(jié)果顯示，隨著細胞壁彎曲級別的增加，材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出更溫和的軌跡，有效減輕了嚴重故障。

MBAMs在A0 =1.0時展現(xiàn)出了優(yōu)異的比能量吸收（SEA），達到了50.7J/g，比直線墻設(shè)計提高了558.4%。

4.變形和增強機制：

通過實驗和有限元方法（FEM）分析了MBAMs在不同壓縮應(yīng)變下的變形模式，發(fā)現(xiàn)MBAMs能夠從災(zāi)難性故障轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕膿p傷容限逐層變形模式。

應(yīng)力分布集中在最大曲率區(qū)域，這有助于定向應(yīng)力傳播，提高有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，并促進墻體間的相互作用，從而增強結(jié)構(gòu)強度。

5.研究框架和前景：

提出了一個研究框架，用于設(shè)計具有聲學和機械性能的多功能超材料，包括弱耦合和強耦合兩種設(shè)計方法。

討論了未來值得探索的領(lǐng)域，如新型結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和功能，以及這些多功能材料在建筑和運輸行業(yè)中的實際潛力。

開展單軸準靜態(tài)加載實驗，對比不同彎曲幅值下的超材料樣件塑變吸能行為差異。通過實驗測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比分析可知（圖4A），即使等效密度相同，該超材料單元的垂向曲率對其宏觀力學性能也影響極大，這不僅體現(xiàn)在實測所得關(guān)鍵力學指標上（圖4B），應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動率差異也尤為明顯（圖4C）。這表明，豎直胞壁存在應(yīng)力陡降行為（接近0），這源于其塑性階段的大面積解體破壞；而對于文中所設(shè)計的曲壁超材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動小、塑性變形更為穩(wěn)定；此外，文中繪制了密度-剛度、密度-強度、等效密度-比吸能圖，用于評估所提超材料的實驗所測力學性能（圖4Di-Diii），結(jié)果表明其各項性能表現(xiàn)較優(yōu)。

圖4 單軸準靜態(tài)壓縮實驗測試所得超材料力學性能

圖5 力學響應(yīng)與變形機制

第五章：結(jié)論

作者總結(jié)了他們的研究發(fā)現(xiàn)，并強調(diào)了所提出的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs）的重要性和潛在應(yīng)用。

1.創(chuàng)新材料介紹：

研究介紹了一類新型的多功能生物啟發(fā)型結(jié)構(gòu)化超材料（MBAMs），這些材料以烏賊骨微觀結(jié)構(gòu)為靈感，采用弱耦合設(shè)計方法。

2.聲學性能：

MBAMs在1.0至6.0 kHz的寬頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)出了的吸聲性能，平均吸聲系數(shù)達到0.80，且有77%的數(shù)據(jù)點超過了0.75，這在僅有21毫米厚度的材料中是非常顯著的。

3.物理機制：

通過異質(zhì)設(shè)計和遠場耦合效應(yīng)，MBAMs實現(xiàn)了多模態(tài)混合共振，這是其吸聲性能的基礎(chǔ)。

4.機械性能：

除了優(yōu)異的吸聲性能，MBAMs還展現(xiàn)出了超高強度、高能量吸收和高損傷容限。這些材料在低密度（1.53 g/cm3）下具有平均模量4.93 GPa、強度211MPa和比能量吸收50.7J/g。

5.設(shè)計和應(yīng)用前景：

這些多功能材料不僅在實驗室中具有潛力，而且隨著增材制造技術(shù)的進步，它們有望被集成到各種大規(guī)模工程項目中，特別是在建筑和運輸行業(yè)。

6.研究框架：

作者提出了一個研究框架，用于設(shè)計和優(yōu)化聲學和機械性能的超材料，這為未來的研究和開發(fā)提供了方向。

綜上所述，MBAMs在材料科學和工程領(lǐng)域架起了一個重要的橋梁，它們不僅在理論上具有創(chuàng)新性，而且在實際應(yīng)用中也具有巨大的潛力。這些超材料的設(shè)計和制造為解決實際工程中的噪聲和沖擊問題提供了新的可能性，并且它們的多功能性為未來的材料設(shè)計提供了新的思路。