《Small》：同时具有优异声学和机械能量吸收的微晶格超材料

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1. 提出了四种面心立方基板和桁架微格新型超材料，同时具有良好的吸声和吸能性能；

2. 基于“级联共振细胞理论”，提出了微格吸声机制；

3. 发现吸附系数本质上受孔隙和空腔形态等几何因素的限制；

4. 优异的机械性能来自板的近似膜应力状态和基础材料的延展性和强度。

微晶格作为一种吸声材料，近年来也开始引起人们的研究兴趣。传统研究的吸收体通常是基于泡沫、蜂窝、穿孔板结构、Kelvin单元、dode-fmedium、球形腔，TPMS微晶格作为吸声材料的可能性已经被探索。潜能已经被实现，随着微晶格结构和尺寸被观察到对吸收系数有显著的影响。尽管如此，目前对微晶格作为吸声材料的研究仍是其潜力的很小一部分。

到目前为止，还没有研究微晶格在吸声和吸能方面的多功能性。然而，这些材料有很大潜力成为轻质的吸能材料，同时也具有高效吸声的能力，在预定的使用环境中，如飞机、汽车、军事装备等，次要功能与第一个功能高度互补。因此，对多功能需求和满足双重功能的最佳设计特性的需求都要求设计的新奇性。与其他结构相比，微格板具有更好的刚度和强度。然而，真正的板状微格由于其闭孔特性而无法制作，即进料材料（由于3D打印工艺）会卡在封闭的腔体中，之后无法将其去除。可以尝试的一个方向是在板的设计中引入气孔。巧合的是，这些修改也构成了具有孔的空心腔的结构，它们在几何上类似于亥姆霍兹谐振器。因此，本文转而研究板微晶格，同时采用广泛流行的面心立方（FCC）晶格设计主题作为本文目前研究的基础。

近日，新加坡国立大学Zhai Wei教授团队以题为“Microlattice Metamaterials with Simultaneous Superior Acoustic and Mechanical Energy Absorption”在《Small》上报道了四种新型的基于面心立方体的板和桁架微晶格，具有优良的吸声性能和高比能量吸收（SEA）。微晶格是通过选择性激光熔化（SLM）制作的。为了获得实际工程材料的鲁棒性，选择高强度、高延性的金属。在1附近的高吸声系数与宽共振峰、层数和位置有关。吸收原理是基于作者团队提出的级联谐振单元理论，它实质上是亥姆霍兹共振现象的延伸。此外，在密度为2.31 g cm-3的情况下，平板微格还具有优异的力学性能，硬度为15.4 GPa，强度为202.7 MPa， SEA为50.3J g-1。

图1：声和能量吸收超材料示意图。

图2。

（A）设计原理示意图，从FCC和萤石晶体结构开始。（B）SLM打印微晶格的数字图像。

图3。

采用阻抗管法实验测量的晶格的吸声系数（A）FCC板，（B）萤石板，（C）萤石混合和（D）萤石桁架。

图4：FCC板吸声机理图解。

（A）带有孔的八面体腔中的FCC平板晶胞的估计值和带注释的几何参数。（B）传递阻抗函数示意图。（C）FCC板晶格的计算吸收系数与实验推导的吸收系数相关性。

图5：萤石板吸声机理图解。

（A）萤石板晶格转变为一系列空腔和1/4单位空腔的示意图及相关的传递阻抗函数。（B）类型I和类型Il层单元，显示部分菱形十二面体腔和（C）它们的等效阻抗电路。（D）单个单元格和各自的几何参数标注。（E）计算吸收系数与实验导出的萤石板晶格的关系。

图6：实验测量力学性能的总结。

（A）具有代表性的压缩应力-应变曲线和（B）所提出的微晶格的SEA总结和与文献的相比。

图7：微晶格应力分布的低应变分析。

（A）实验和FEM捕获了-0.05应变下的宏观晶格变形，（B）对应的单元格表征。

图8：实验捕获和有限元模拟的4种晶格在应变为-0.15，0.3和-0.5时的变形行为。

文章信息：

Li, X., Yu, X., Chua, J. W., Lee, H. P., Ding, J., Zhai, W., Microlattice Metamaterials with Simultaneous SuperiorAcoustic and Mechanical Energy Absorption. Small 2021,2100336.

https://doi.org/10.1002/smll.202100336

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