等效负质量弹性超材料的力学性质与结构设计

The metamaterials are kinds of synthesized composites with unique performance different from traditional materials and have been among the most promising materials. Carbon nanotubes(CNTs) and grapheme are being used extensively due to their excellent mechanical, heat conduction and electronic properties. As we noted recently that CNTs with an inserted linear carbon chain and multilayer graphene sheets under layerwise tension forces possibly resonate locally due of their changing of degree of freedom and further behave as elastic metamaterials with negative effective mass during some vibrational frequency range. Therfore,based on local resonance mechanism, CNTs and graphenes are used to design elastic metamaterials with negative effective mass without complicated internal structures. This kind of elastic metamaterials based on CNTs and grapheme sheets also perform uniquely such as wave absorption, vibration abatement. The project focuses on the elastic metamaterials design based on CNTs and graphene sheets, including special properties of the elastic metamaterials with negative effective mass, and conditions when special performance works, and their mechanism and influencing causes

超材料是一类主要通过人工合成的新型复合材料，因其表现出传统天然材料所不具备的独特性能及在诸多领域的潜在应用前景，对超材料的研究成为关注的焦点。碳纳米管和石墨烯是两种新型的低维碳纳米材料，具有非常卓越的力学性能和导电传热性能，已经被广泛应用。最近，我们发现[69,70]，内嵌质量链的碳纳米管或者承受不同拉压张力作用的多层石墨烯，因内部自由度发生改变，在振动时会产生局部共振，并在一定的频率范围内表现出等效负质量的超材料特性。因此，基于局部共振机理，石墨烯和碳纳米管可以被设计为具有有效负质量的弹性超材料，并且无需对其进行复杂的内部结构设计。这种弹性超材料也可以表现出波吸收，振动抑制等独特的机械性能。本项目将研究基于碳纳米管或者石墨烯设计的弹性超材料，特别是低维等效负质量的弹性超材料的力学性质，以及特殊性能实现的条件，机理及影响因素等，为进一步设计和开发特殊功能的微纳器件/系统提供科学依据

项目按照计划，全面完成相关任务，并超额完成指标，发表SCI 论文12篇（基金标注）。. 主要内容包括：. 一）研究了多层石墨烯的弹性超材料的力学特性：A）建立了多层石墨烯在层间承受不均匀张力作用下振动的连续介质力学模型，通过分析其自由振动发现当多层石墨烯的外层承受较大张力而内层不受张力的情况下，多层石墨烯在特定的频率范围内可以表现出类似于弹性超材料的负质量效应，具有弹性超材料特性. 实际上, 在外层施加张力作用，那么存在太赫兹的频带间隙. 这种能表现出负有效质量密度的多层石墨烯具有隔振的功能：当外部激励的频率在带隙范围内时，强迫振动会被高度限制在外部激励施加位置的附近，且不会传播到石墨烯的其他部分；对于给定的激励且激励频率在带隙范围内，振动被限制区域的宽度与石墨烯的长度无关；对于外层承受较大张力而内层承受较小张力的多层石墨烯，虽然带隙消失不能表现出负有效质量密度，但是依然可以表现出类似隔振的现象。当石墨烯是其他形状，如圆形时，表现出同样的特性：在某个频带范围内表现出负质量效应，显现振动隔离、振动吸收和振动抑制现象等. 这些分析为我们基于石墨烯设计具有超材料特性的纳米振动器或谐振器等提供分析和指导，尤其在纳米机电系统的设计中应用。. 二）研究了宏观尺度下几类弹性超材料/结构的力学与设计：A）研究了一维的超材料结构，该结构具有的特殊的声学隔振与屏蔽功能，同时也具有可调控性，提出了一种可调谐的方法。B）设计了一类3维蛇形超材料超结构，建立了三维蛇形超材料结构的理论模型，研究了位移、旋转、弯曲和应变，以及结构的几何参数等对这一蛇形结构力学性质的影响和机制，进一步探讨了蛇形超材料结构的潜在应用等. C）研究了一类二维点阵结构超材料特性. 分析了这一类结构的禁带-参数依赖性和影响机理. 为简单轻质超材料的设计提供指导。. 此外我们还讨论了结构的尺寸效应等。