基于手性介质的弹性波超材料设计方法与实验研究

This project is devoted to design elastic metamaterials based on a new principle which makes use of a type of chiral elastic media in conjunction with the translational-rotaional local resonance coupling of the microstructure. A two-dimensional chiral micropolar constitutive relation will be established in order to completely and correctly characterize planar chiral elastic solids, which is a fundamental problem unsolved currently. The unique characteristics of wave propagation in two-dimensional chiral solids will be also revealed. The chiral micropolar theory then constitutes a macroscopic theoretical framework, within which the mechanism of the chiral elastic metamaterial will be clarified. The analytical and numerical homogenization methods will be developed to predict the dynamic effective properties with accuracy and efficiency, and systematical procedure for the elastic metamaterial design will be established. Finally, based on the developed theories and techniques, practical metamaterial devices realizing novel applications will be designed, fabricated and verified by experiments. The project will significantly promote the elastic metamaterial design and related investigations.

课题通过理论、数值和实验相结合的途径，研究基于手性材料所特有的平动－旋转耦合谐振这一新机制构造弹性波超材料的基础理论和设计方法。主要内容包括：发展新的二维手性微极本构理论，解决当前没有合适的连续介质理论用于完整描述二维手性介质这一基本理论问题；研究这一类材料中弹性波传播的独特性质，为从宏观上正确表征手性弹性波超材料奠定基础；在微极理论框架下深入阐明手性弹性波超材料的微观机制，在理论和数值方面给出预测动态等效性质的均质化方法，进而发展系统的超材料优化设计手段；结合特定的功能应用，给出能够实用化和易于制备的超材料设计，通过相关实验验证所发展的理论。该课题对提高弹性波超材料的设计水平，促进相关领域的研究有重要意义。

弹性波超材料是含有精心设计微结构的复合材料，在波动环境下具有反常动态有效性质，在弹性波/声波调控方面具有广阔的应用前景。但与电磁波情形不同，长期以来弹性波超材料缺乏可行的微结构设计与实验验证。二维手性弹性材料具有体积变形与局部旋转耦合的特性，但传统的Cauchy弹性理论无法表征这种性质。同时，这种独特性质也可以用于实现新的谐振机制及创新的超材料微结构设计。在此背景下，项目主要研究二维手性介质的微极高阶连续介质表征方法及波动特性、手性弹性波超材料的新局域谐振机理、弹性波超材料的可行微结构设计及实验验证。项目解决了现有非中心对称微极理论无法刻画二维手性介质这一问题，发展了二维正交各向异性手性微极本构关系，并针对四方手性点阵材料建立了相应的均匀化模型，进而在微极理论框架下发现了这一类材料中弹性波传播的独特性质。项目提出了基于手性介质和旋转谐振这一构造弹性波超材料的新机制，推动了弹性波超材料的研究。发展了手性弹性波超材料和用于水声调控的五模材料较为系统的设计理论，包括平移—旋转耦合谐振的微观机理、动态等效密度和等效模量的预测方法、手性弹性波超材料及五模材料微结构优化设计。在此基础上提出了适用于低频隔振的轻质手性点阵超材料、双负手性超材料及高各向异性五模材料设计，在世界范围内率先实现了弹性波负折射现象及水声绕射隐身斗篷的制备与实验验证工作。项目完成了预定的研究目标，研究成果为表征二维手性介质提供了理论基础，为弹性波超材料设计提出了新机理并为其实际应用进行了实证。