电磁波/声波超材料物理力学理论与多功能设计原理

电磁波/声波超材料是利用微结构谐振产生特殊宏观等效性能的一种新型功能材料，利用超材料结合功能一体化设计可以实现对波传播的操控。为此，该项目主要包括以下三个方面的研究：(1) 电磁波/声波超材料的物理力学表征方法；（2）电磁波/声波超材料和结构多功能设计原理；（3）电磁波/声波超材料设计和实验方法。通过课题的研究为超材料功能－结构－材料一体化设计提供理论基础。项目将首先研究电磁波/声波超材料的解析和数值设计方法以及表征超材料的基本理论。在此基础上，结合电磁波/声波隐身的功能需求，通过对结构和超材料微结构设计达到对波传播特性的控制，并进行相应的原理性实验验证。通过该项目研究还将设计和制备出一维声波左手材料，并探讨在Willis新弹性动力学方程框架下利用弹性波超材料对波传播控制的方法。

电磁波/声波超材料是利用微结构谐振产生特殊宏观等效性能的一种新型功能材料，项目围绕材料-结构-功能一体化设计来实现对波传播的操控这一目标，经过四年的研究，在以下三个方面取得了丰富的研究成果：(1) 电磁波/声波超材料物理力学表征方法。基于平均场方法建立了颗粒夹杂型声波超材料的动态均匀化模型，揭示了负动态等效参数的物理实现机制；提出具有手性特征的声波超材料，并基于微极理论建立了该类材料的动态均匀化模型；研究了电活性聚合物和Archimedean型多级点阵周期结构的能带特性和静/动态等效性质；在电磁波快速数值计算方面，提出并实现了一种基于不完全LU分解的高效预处理技术，并结合Krylov子空间方法成功应用于合元极技术中有限元矩阵的快速求解，用于预测复杂微结构超材料的电磁特性。（2）电磁波/声波超材料和结构多功能设计原理。提出了基于变形理论的波传播控制设计方法，可以对具有任意形状、无奇异参数和准各向同性参数波控制器件进行功能设计，用于对电磁波和声波的调控；基于局部仿射变换和变换过程的能量守恒，提出了对弹性波传播的进行控制设计的一种近似方法。（3）电磁波/声波超材料设计和实验方法。对电磁波隐身涂层和电磁波“黑洞”介质进行了理论设计，并利用所搭建的二维电场扫描测试装置进行了功能的实验验证；设计出具有宽低频隔声效果的声波超材料，并进行了隔声性能的实验测试；设计出同时具有负体积模量和负质量的声波手性超材料，对负折射功能进行了数值仿真研究；设计出具有超分辨成像功能的声波超材料，提出了基于零质量和共振遂穿效应的凋落波传输机制，并进行了成像功能的数值仿真和实验验证。通过本项目的研究，建立了电磁波/声波超材料功能－结构－材料一体化设计理论和方法，为超材料的功能设计和应用奠定了理论基础。项目执行期间，共发表SCI期刊论文54篇，获得授权国家发明专利4项，获奖4项，举办国际学术会议1次，培养学生42人。