基于多级声子晶体和多种耗能机制的阻尼复合材料结构多尺度设计及其耗能机理解析

There is an urgent need for new kinds of composites with excellent mechanical properties, high damping, and working in broad temperature and frequency range, in defense industries. This project aims at modeling and designing hierarchical composites which are composed of piezoelectric super-sponge composite materials. At first, we will study the microscopic characteristics of the components of the composite structure by molecular dynamics method, meso mechanics and experiments. That work will reveal the energy dissipation mechanism of piezoelectric network, and its coupling effect with the super-sponge composites. Thus we can analyze the dynamic behavior of piezoelectric super-sponge components. Then, based on the special structures of phononic crystals and biomaterials, we will build a model of gradient hierarchical phononic crystals composed of piezoelectric super-sponge composites and research the coupling effects between the hierarchies in energy dissipation. This would help to explain the energy mechanism of hierarchical phononic crystals. So we can adjust the parameters of components of each hierarchy to gain more optimal band gaps of hierarchical phononic crystals. At last, we will build the multi-scale digital model to explain the evolution of mechanical properties through each hierarchy, from cellular to each hierarchy of phononic crystals, and to composite structure. A method to quantitatively predict the damping characteristic of each hierarchy will be proposed. And the final goal is to realize the multi-scale innovative design of hierarchical phononic crystals, and develop the theory of designing composites with high damping and working in broad temperature and frequency range. The composites will be used to design and manufacture military anechoic tiles.

具有宽温宽频的高力学高阻尼性能的多功能复合材料结构已成为国防工业的战略需求。本项目以压电型超海绵复合材料为组元，将组元微结构几何构型与多级声子晶体周期性结构布局结合，研究其耗能机制，实现多功能复合材料结构的多尺度一体化设计。首先应用分子动力学、细观力学和试验方法，从微观层研究压电网络耗能和其与超海绵复合的耦合耗能机制，解析压电型超海绵复合组元的动力学行为；再基于声子晶体和生物材料特殊构型，搭建以压电型超海绵为组元的梯度型多级声子晶体结构，研究多级声子晶体组元间耦合耗能，以及各级组元参数对多级声子晶体带隙特性的调配，解析多级声子晶体复合材料结构的能量耗散；最后，建立组元-各级声子晶体-复合材料结构各个层级力学性能演化的多尺度数字模型，提出各个层级阻尼特性的定量预测方法，实现多级声子晶体结构的设计创新，形成开发宽温宽频高阻尼复合材料结构的设计理论和方法。并应用于军工产品消声瓦样件的设计及制备。

本项目旨在研究多功能复合材料微观到宏观的力学行为及其耦合耗能机制，构建阻尼多级声子晶体复合材料结构多尺度设计方法。主要工作有：. 1、压电网络耗散机制与超海绵材料耦合耗能机制。研究了压电网络和压电超海绵材料的耗能及力学性能，揭示了压电超海绵耗散机制与超海绵材料的耦合耗能机制。提出了面向不同尺度的粗粒化等效建模方法，实现了纳观到介观跨尺度分子动力学仿真；分析了材料内部因素与外部因素对压电超海绵耗能行为的影响规律；分析了中尺度纳米网络的力学性能与标度定律，及压电相分布和基体孔隙率等参数对压电阻尼复合材料的压电/阻尼/力学特性的影响。其部分结果通过DMA和SEM进行了验证。. 2、计及尺度耦合效应的多级声子晶体结构跨尺度理论模型及其力学性能定量预测。提出了一种“自下向上”的面向非均匀构型复合材料结构的尺度耦合动力学的建模方法，建立了计及微结构构型及组元、各级声子晶体结构尺度耦合效应的跨尺度理论模型，实现了多级声子晶体结构的动态力学性能与阻尼特性的定量预测。构建了组元微观构型与尺度耦合参数间的定量模型，实现了微观平衡方程及非均匀复合材料等效连续介质的非局部动力学建模。提出了非均匀材料的积分型时空非局部本构模型。实验验证了该模型预测非均匀材料尺度耦合力学行为的有效性。. 3、多级声子晶体时空耦合阻尼耗散机制研究及梯度多级声子晶体复合材料结构的多尺度设计。研究了阻尼多级声子晶体材料结构的能量传输与能量耗散的耦合机制以及带隙拓宽机制，定义了时空耦合阻尼的概念，实现了能量在声子晶体中传播时衰减特性的量化表征。分析了不同频率范围内阻尼多级声子晶体对弹性波传播的抑制机制，提出了面向不同频率和频宽的梯度多级声子晶体材料结构的设计原理和设计方法。分别给出了高频段/中高频段/中低频段/低频段阻尼多级声子晶体材料结构的设计案例。. 项目资助下培养博士生7名（2人毕业），硕士生7名（6人毕业）。共发表SCI论文25篇，国际会议论文2篇。论文总被引400余次，其中ESI高被引论文1篇。