基于形状记忆合金的弹性超材料波传播主动调控研究

Elastic metamaterials is a kind of artificial composite structures. Generally they are made of local resonators possessing unusual physicals properties such as negative effective density, negative effective elastic modules, negative refractivity, etc. Nowadays, most elastic metamaterials lack of capabilities of active bandgap control to adaptively respond to environmental changes. In addition, regarding to elastic metamaterials, few researchers focus on developments of controllable one-way elastic wave transmission. In this proposal, based on shape memory alloys (SMAs), we will design elastic metamaterials which can have the abilities to actively control elastic wave propagations. We will theoretically and experimentally investigate (i) one-way transmission control, (ii) bandgap control, (iii) switches of directions of anisotropic effective mass densities, and (iv) negative refraction control. We believe our research results will help future designs of adaptive elastic metamaterials.

弹性超材料是一种新型的人工复合结构，一般由特殊设计的局域共振子组成，在动态载荷作用下可以得到天然材料所不具备的超常物理性质，如负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射等。目前，大多数弹性超材料不具备带隙的主动调控能力，难以适应外界环境动态载荷的变化。此外，关于有限弹性超材料结构是否可以实现弹性波单向传输功能的研究也较少有学者涉及。本项目以设计和实现一类基于形状记忆合金（SMA）的具有主动调控能力的弹性超材料为目标，拟应用SMA主动驱动和可控形貌变形两种特殊功能，对局域共振子的形貌进行主动调控。最后，本项目会通过实验验证弹性波的传播控制，重点研究与探索（i）弹性波的单向传播控制（ii）带隙位置控制（iii）等效质量主轴方向切换（iv）负折射角度切换等。本项目将为可控单向传输超材料器件的设计和波传播特性主动控制的应用提供理论和技术支持。

为满足人类生产制造和工程结构中天然材料所不具备的物理性质需求，超材料的研究应运而生。超材料由于其超常的物理性质，在航空航天领域、军事领域以及机械制造领域等实际工程应用中引起了学者们的广泛关注。目前，弹性超材料的研究还是以完善研究方法体系以及提供设计方法为主，多数弹性超材料的设计不具有主动调控物理性质以适应外界环境动态载荷变化的能力。在本项目中，课题组主要研究基于形状记忆合金的弹性超材料波传播主动调控的理论、有限元仿真和实验。负责人提出了基于双程形状记忆合金的弹性超材料并呈现其在带隙的切换以及调控的能力。同时，在这个项目的执行期间，负责人对局域共振和布拉格带隙的调控机理给出了相关的带隙理论公式（例如带隙边界、宽度等）。本项目将为弹性超材料的带隙主动调控和波传播的控制提供理论支持和技术支撑。此外，本项目的后期，结合负责人前一个已结题的国家自然科学基金课题，申请人着手研究声子晶体扭转带隙的传感方法，并设计了不需要解调系统的光纤光栅传感系统。. 具体而言，本项目的重要研究结果包含：（1）基于形状记忆合金的弹性超材料设计；（2）基于双耦合梁振子的主动弹性超材料设计；（3）声子晶体结构瞬态扭转波的计算与实验方法；（4）基于缺陷态的声子晶体能量采集；（5）应用集中质量型声子晶体的损伤检测方法；（6）周期结构扭转波带隙的传感技术等。其中，基于形状记忆合金的弹性超材料研究发表在国际知名物理期刊（APL等），应用集中质量型声子晶体的损伤检测方法给了通过带隙峰检测损伤的可行性，关于声子晶体结构瞬态扭转波的研究提供了相应扭转超材料的设计支撑。