一种基于温度调控的主动超材料梁

技术领域

本发明属于可调控超材料技术领域，具体涉及一种基于温度调控的主动超材料梁。

背景技术

目前，许多新型的声子晶体、超材料和/或超表面已经被提出和实施，用于控制结构中的弹性波，特别是针对梁和板结构中弯曲波的控制。目前，针对梁和/或板中的弯曲波，提出的被动超材料包括柱状型、锯齿梁型、多材料型、阶梯梁型、变厚梁型和基于“彩虹”效应的各种超材料等。然而，这些被动超材料有一个明显的缺点，即工作频率范围有限，这严重阻碍了它们的应用。

现有技术中，出现了两种技术路线来解决上述问题，其中一种为拓扑优化技术，虽然这一技术在众多的声子晶体和超材料上得到了成功应用，但是针对应用于调控梁和板中弯曲波的超材料和声子晶体，相应的拓扑优化工作还比较少。虽然优化后的声子晶体和超材料有了更宽的工作频率范围，但在其制作完成后仍然不再可调。

另一种技术路线则是主动控制技术，基于该技术，声子晶体和超材料可以获得更宽的工作频率范围，主动调控可以通过各种驱动策略来实现，如使用电、磁铁、光、机械力和热驱动策略。针对弯曲波的控制，基于上述各种驱动策略，已经提出了大量可调控的超材料梁/板。值得注意的是，不同的驱动策略有利于不同的应用场景，没有哪一种策略可以适用于所有的应用场景，因此需要设计和提出更多的可调声学晶体和超材料以适应更为广泛的应用场景。

发明内容

本发明意在提供一种基于温度调控的主动超材料梁，以适应更广泛的应用场景。

本发明中的基于温度调控的主动超材料梁，包括超材料梁本体，以及多个由所述超材料梁本体向上拱起形成的呈锯齿形状排列的“几”字形梁胞元，其中，所述梁胞元的开口处以及梁胞元间的开口处上设有执行器，所述可执行器同时与所述开口处的两侧侧壁连接；

该执行器为弹性部件、阻尼部件或弹性部件与阻尼部件的结合；该执行器的刚度系数和/或阻尼系数能随温度的变化而变化。

进一步的，所述执行器横跨开口处设置。

进一步的，所述执行器由热敏聚合物制成。

进一步的，所述热敏聚合物为3D打印材料“VeroPureWhite”。

进一步的，所述梁胞元的材质厚度与超材料梁本体一致。

进一步的，所述超材料梁本体的材质为金属。

进一步的，所述超材料梁本体的材质为铝合金。

进一步的，所述梁胞元上的转折处均为直角。

进一步的，所述梁胞元的宽度a＝2(h+l)，其中h表示超材料梁本体的厚度，l为梁胞元的上拱部分内部的宽度。

进一步的，所述梁胞元的总高度为超材料梁本体的厚度的3～5倍。

进一步的，所述梁胞元的数量至少为6个。

一种执行器，该执行器能适用于前述的基于温度调控的主动超材料梁。

本发明中提出了一种新的可调控的超材料梁，利用其中的执行器的刚度系数和阻尼系数随温度的改变来主动实现对超材料梁整体的能带结构的调控。

在一些实施例中，热敏聚合物被用于制造执行器，其力学行为可以通过温度来调节。与现有的可调控超材料梁相比，本发明中的超材料梁既可以基于环境温度的改变进行无源主动调控，也可以基于主动的加热和冷却来进行调控，这提高了本发明中超材料梁的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于温度调控的主动超材料梁(a)及其梁胞元(b)的分析模型示意图

图2为本发明实施例中不同α

图3为本发明实施例中不同H值的超材料梁的第一禁带的下限(a)和上限(b)随α

图4为图2中点A(a)、点B(b)、和点C(c)处梁胞元的本征模态的示意图。

图5为本发明实施例中不同α

图6为本发明实施例中所测量的3D打印材料“VeroPureWhite”在不同激励频率下的存储模量(左)和损耗系数(右)随温度变化的曲线图。

图7为本发明实施例中由材料“VeroPureWhite”制备的执行器(a)以及集成有该执行器的超材料梁(b)的二维结构示意图。

图8为本发明实施例中的集成有执行器的超材料梁在不同温度下的能带结构的实部(a)和虚部(b)的示意图。

图9为本发明实施例中的实验设置实拍照片，其中(a)部分为所述制作的实验试样，(b)部分为用来测量透射频谱的整个实验装置，(c)部分为在不同规定温度下，加热容器内的测量温度和室内的测量温度。

图10为本发明实施例中所测量的不同H值的不带有执行器的超材料梁的透射频谱示意图。

图11为本发明实施例中所测量的不同H值的超材料梁在室温(≈27℃)和47℃时的透射频谱示意图。

图12为本发明实施例中，将温度提高至高于玻璃态转变温度后再冷却至室温这一过程中不同H值的超材料梁在75.5℃和27.5℃下的透射频谱，与第三次加热-冷却循环中相应超材料梁在47℃和26.6℃下的透射频谱的对比图。

具体实施方式

本实施例中的基于温度调控的主动超材料梁的分析模型如图1中(a)部分所示，包括超材料梁本体，以及多个由所述超材料梁本体向上拱起形成的呈锯齿形状排列的“几”字形梁胞元，图中，“几”字形梁胞元的数量选用但不限于6个，所述梁胞元的开口处以及梁胞元间的开口处上设执行器，模型中执行器被等效为并联的弹簧部件和阻尼部件；执行器横跨开口处设置，并同时与开口处的两侧侧壁连接。

图中，变量h、l、H和a分别表示厚度、梁胞元上的开口处的间隙宽度、总高度和晶格常数(梁胞元的总宽度)，弹簧刚度和阻尼系数分别记为k和c。基于这样的设计，如果弹簧刚度k和阻尼系数c可以改变，则本实施例中的超材料梁的行为是可调控的。

为了表征上述的可调控超材料梁，本实施例中利用谱单元分析法(SEM)仿真计算来得到该超材料梁的复能带结构。图1中(b)部分为本实施例中的SEM计算中所采用的梁胞元模型，每条直线代表欧拉-伯努利梁，数字1-8代表8个节点。整个梁胞元模型包含五个欧拉-伯努利梁部件、三个弹簧部件和三个阻尼部件。其他的参数设置包括，参数h、l选择为h＝2mm和l＝4mm，沿图中y轴方向的宽度b设置为10.0mm，除非另有说明。晶格常数为a＝2×(h+l)＝12.0mm；主材料选为铝合金(6061)，其杨氏模量为E

本实施例在不同的α

此外，不同H值条件下，第一禁带的下限和上限随α

为展示阻尼系数对超材料梁行为的影响，此处还仿真计算了在不同α

上述参数分析证实，图1中提出的超材料梁的能带结构对k和c非常敏感。因此，只要k和c可以被主动调控，超材料梁的能带结构就可以被调控。

为了实现预想的主动控制机制，本实施例中进一步的选择了但不限于3D打印材料“VeroPureWhite”来制造示例性的执行器(可看做弹簧和阻尼部件)，其背后的原因是，只要低于相应的玻璃态转变温度，这种材料的存储杨氏模量和耗散因子就可以通过温度可逆地调节。此外，即使执行器具有复杂的结构，也可以用这种材料进行3D打印制造。但实际中，根据具体的需要，其他的材料，如一些其他的热敏聚合物材料，同样可以用来制造执行器。

首先，通过使用动态力学分析仪(DMAQ850，美国)测量“VeroPureWhite”材料的储能模量(杨氏模量)和损耗因子。测试试样为3D打印薄片，尺寸为18×4×1.5mm。在测量中，试样一端固定，温度从室温升至48℃，每个试样经历3-5次从加热到冷却的循环以检查可逆性。测量结果如图6所示，储能模量和损耗因子随温度的变化而发生显著变化，且这种变化在感兴趣的温度范围内几乎是可逆的。因此，使用该材料，预想的主动控制机制可以基于温度控制实现。

本实施例中，基于“VeroPureWhite”材料的示例性的执行器设计如图7中(a)部分所示，集成有该执行器的可调控超材料梁如图7中(b)部分所示。为了表征不同温度下的超材料梁，此处采用有限元分析法(FEM)基于代表胞元计算超材料梁的能带结构。在数值模拟中，执行器采用200.0Hz频率下的存储模量和损耗因子，此外，测量到的“VeroPureWhite”材料的泊松比为ν

为了便于说明，图8中给出了H＝4h时计算出的三种不同温度下的能带结构。图8中(a)部分为复能带结构的实部部分，其中阴影区域表示整个禁带，对应的虚部如图8中(b)部分所示。需要指出是，这里给出的虚部表示随时间变化的波的衰减，这与图3中的虚部表示的波随传播距离变化的衰减不同。图8的结果表明，随着温度的升高，禁带整体向下移动，各禁带带宽也发生变化。此外，通带内的衰减随着温度的升高而增大，因为执行器的阻尼随着温度升高而增大。由此可见，图7(a)中设计的执行器可以很好地作为图1中提出的弹簧和阻尼元件。

为了验证本实施例中设计的超材料梁的性能，本实施例中制作出试样并进行了相应的试样测试。图9(a)为用于实验的试样，其中的插图显示了一个不同角度的放大图。采用线切割制作长度为1.2m的超材料梁的主体，执行器则是使用“VeroPureWhite”材料3D而成，然后粘在主锯齿形梁上。整体实验设置如图9(b)所示，在实验中，由信号发生器(泰克，AFG31021)产生一个频率在[5.0,150.0]kHz范围内，持续时间为40ms的扫频信号，并进一步放大，然后输出到相位转换装置(自制)。超材料梁上下表面分别贴有一片压电片(PZT)，将两个电压相反的信号分别输出到这对压电片(PZT)上。为了减少波的反射，在超材料梁的两端贴上一层阻尼材料(Blue tack)。离面振动速度由激光扫描测振仪(Polytec，OFV 505，德国)测得。一种由加热容器和电压调节器组成的加热器，用于产生所需的热环境，其加热范围为室温至85℃。

加热容器内的温度使用带有四个探头的热电偶温度计测得。将三个探头(通道#1、#2、#3)插入加热容器以评估内部温度场，其余一个(通道#4)放在外面测量室温作为比较。如图9(c)所示，在实验过程中，测量了加热容器内的温度和室温。结果表明，加热容器内的温度场近似均匀，接近于实验所需的温度。在实验中，以厚度为h的直梁的测量结果作为参考。然后，通过对测得的离面速度的幅值与参考速度幅值进行比较，来评估弯曲波在本实施例中所设计的超材料梁的传播行为。

实验中，首先，测量了无执行器的超材料梁的透射频谱，验证了所建立的实验设备和步骤。此外，测量结果也可以作为下面的实验结果的一个参照。图10为三个没有执行器的锯齿形超材料梁的透射频谱，其中阴影区域表示有限元计算得到第一和第二条禁带。对比结果表明，计算得到的禁带与测量结果吻合较好，证实了所建立的实验装置和实验程序的有效性。

随后，测量了在室温和47℃条件下，每个超材料梁的透射率。每个试样都测试了三个从加热到冷却循环，以评估所设计的超材料梁的可逆性。为保证加热容器内的温度接近规定的温度，保持时间设置为30分钟。不同H值的超材料梁的波透射率测量结果如图11所示，其中阴影区域表示温度T＝47℃下有限元法计算得到的禁带。结果表明，测量结果具有良好的可逆性，禁带随温度变化较明显。此外，第一条禁带的下限向下移动，而上限几乎不随温度变化，这与图4所示的理论结果相吻合。由于在数值模拟中，执行器的杨氏模量被设置为其材料在200Hz下的测量值，而实际中树脂(“VeroPureWhite”为树脂类材料)的杨氏模量通常随着频率的增加而增加，导致了数值计算得到的禁带与实验结果有一定的偏差，结果显示，数值计算得到的禁带位置略低于测量的禁带。而无论是计算结果还是测量结果都显示本实施例中所设计的超材料梁的禁带可以被温度操纵，且这种调控是可逆的。

为了检验所设计的超材料梁在温度超过执行器材质的玻璃态转变温度后的性能，在上述实验中，在第三次加热到冷却循环后，还特别测量了T≈75℃温度下的透射率。然后，将试样冷却到室温，并再次测量透射率。相应的实验结果绘制在图12中，其中加入了在第三个加热到冷却循环的测量结果作为比较。图12中的结果显示，随着温度升高到75℃左右，与47℃时相比，透射频谱的变化较大。另一方面，出乎意料的是，玻璃态转变前后的室温时的透射频谱几乎相同，也就是说，虽然执行器经历了玻璃态转变，但待其冷却后，其透射频谱几乎可以视为是可逆转。

在本实施例中，结合弹簧和阻尼元件产生一种新型的可调超材料梁。通过SEM对这种可调超材料梁中波的传播行为进行了表征，结果证实了其良好的性能。然后，设计了作为弹簧和阻尼元件的执行器，并使用热敏材料“VeroPureWhite”进行3D打印。在多个热载荷循环的作用下，对集成有该执行器锯的齿形状超材料梁进行了测试。实验结果表明，即使加载温度略高于执行器的玻璃态转变温度，其传输频谱也随温度变化显著，且具有良好的可逆性。数值和实验结果都证实了所设计的超材料梁具有良好和灵活的可调性。

值得注意的是，本实施例中虽然仅以等高、等宽的梁胞元作未示例，但从本发明的原理和效果可知，由于发挥作用的是执行器自身性质的变化，在本发明的另一些实施例中可以采采用其他形式的“几”字形梁胞元，例如采用不等高和/或不等宽的梁胞元。在这些实施例中，执行器同样可以起到调控作用。同样的梁胞元的数量也不被限制为本例中的6个，可以根据实际需要添加或减少。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。