《JMCC》:用于振动带隙切换和主动弹性波引导的4D打印形状记忆超材料

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1. 提出了一种可调谐的局部共振结构波导，用于在1000–4000 Hz之间进行主动振动带隙切换和弹性波操纵；

2. 可通过施加热刺激来重新排列成新的形状图案，从而在空间和时间维度（4D超材料）中调整机械性能；

3. 对热诱导的形状重组进行编程，以将一系列频带从通带翻转到带隙，连续切换的带宽可超过500 Hz，实现主动波导现象。

超材料通过其设计的结构产生了超凡的物理性能（如负/零介电常数/质量密度/模量等），超出了天然和复合材料中的物理性能。这些特性通过其设计的亚波长微结构表现出来，亚波长微结构定义了波的传播，而不是化学定义的固有材料特性。超材料设计概念已成功地应用于电磁场、热力学和声学领域。近年来，人们致力于将这些方法推广到弹性动力学的振动和弹性波控制中。与电磁和声学超材料中的光波和声波控制类似，弹性超材料在亚波长尺度上实现了不寻常的弹性波操纵，提供了隔振、负弹性波折射、掩蔽和单向传输的潜力。

大多数弹性超材料的一个共同缺点是其被动设计，只能在设计的频率范围内发挥功效。因此，这些材料频率修改要求的变化往往需要进行全面的结构重新设计。大多数弹性超材料固有的被动特性阻碍了它们在需要主动波控制中的应用。与电磁波和声波相比，弹性超材料具有更高的偏振自由度，因此具有主动控制的吸引力。这种增加的自由度的缺点是对局部结构配置的高度敏感，这进一步增加了设计中的处理复杂性。为了突破被动设计的限制，一种有效的方法是设计局部共振超材料，并以可调的方式控制微结构的共振频率。相应的调谐策略依赖于外部刺激或智能材料引起的附加物理耦合，如分流压电材料、梯度功能材料或磁机电耦合。然而，这些策略增加了与需要额外传感器或复杂触发器设计和转换相关的成本和设计挑战，这些挑战对结构稳定性和有效应用构成挑战。另一种提供更简单设计的方法是利用合金或聚合物中的形状记忆效应进行弹性超材料的主动设计。然而，传统形状记忆合金或聚合物的加工和生产通常仅限于具有简单几何形状的结构，这种结构操纵具有设计不灵活的缺点。设计良好的微结构和精细的结构，利用可控的局部形状重构实现可调弹性超材料仍然是一个挑战。

最近，3D打印技术的发展使得4D打印的概念成为可能，这是一种新兴的用于响应式结构的增材制造策略。4D打印依赖于外部刺激来改变3D打印结构的形状，这为主动智能控制提供了可能。热刺激形状记忆聚合物（SMPs）具有与温度相关的形状可调性，这为解决复杂的结构设计和活性弹性超材料的局部变形问题提供了一条潜在的途径。然而，大多数4D打印报告都集中在整体形状的驱动，而不是可调节4D打印SMP结构的动态响应，当前的研究依赖于模拟来预测4D印刷形状记忆超材料中带隙切换的潜力，但是这种特性的实验证明一直是难以捉摸的。此外，关于可调谐弹性波导和可编程传输通道的研究还很少。在弹性波传播路径上同时实现可调控制、可重构和可编程设计仍然是弹性超材料的一个巨大挑战。

近日，美国阿克伦大学Tan团队以题为“4D printed shape memory metamaterial for vibration bandgap switching and active elastic-wave guiding”在《Journal of Materials Chemistry C》报道了一种4D打印热刺激形状记忆聚合物可调谐的局部共振弹性超材料。实验测试了印刷形状记忆结构的局域自折叠/展开特性，表征了其对带隙特性的影响。为了便于将来的设计，从理论上分析了可调谐超材料可控带隙特性的机理，结果与实验测定的动态带隙特性相一致。实验测量了这种自适应带隙切换，并将其应用于可调谐可编程弹性波传输通道的设计。该研究为弹性波控制和振动隔离的智能设备设计和制造提供了新的机遇，为3D打印热塑性形状记忆聚合物的应用拓展了途径。

图1：形状记忆弹性超材料及其制造。

（a） 提出的可调谐雪花状弹性超材料单元的示意图。（b）基于FDM的3D打印和PEMA丝的分子结构。（c） Surlyn丝挤出工艺示意图。（d） Surlyn的傅里叶变换红外光谱。（e） 打印形状记忆单元和(f)其带有10毫米和1毫米比例尺的3D x射线显微计算机断层扫描。

图2：形状记忆性能表征。

打印的雪花状单元的形状记忆周期，从永久形状（S0）到临时形状（S1-S5）和恢复形状（S6）。

图3：三种雪花状单元结构的仿真。

（a） 由雪花状单胞组成的无限大超材料的布里渊区和色散谱。（b） 在2650-2950 Hz、（c）1750-2225 Hz和（d）1118-1165 Hz频率范围内形状恢复不同阶段（单元I，II，III）的带隙特性比较。

图4：带隙附近的振动模态。

带隙附近A-D四个代表频率下单胞I的共振模式。

图5：单元模型分析。

沿两个正交方向的主弯曲振动模态：（a）方向1和（b）方向2。（c） 质量模型中的等效悬臂梁和（d）二维各向异性的雪花状单胞质量-弹簧晶格系统。

图6：支瓣长度对局部共振频率的影响。

支瓣长度对悬臂梁-质量模型中沿1和2方向局部共振频率的影响。

图7：频率响应函数测试。

（a）     两种形状恢复状态下4D打印可调谐超材料FRF测量的实验装置。（b） 实验测试的励磁和输出点。

图8：动态响应分析。

（a）     实验研究了展开和折叠状态下的透射比频率分布。（b） 展开和（c）折叠状态下传输比频率分布的数值模拟。（d） 在同一频率的可调谐超材料中，在弹性波传播和衰减之间切换。

图9：Z形弹性波传播。

（a） 可编程Z形弹性波传播路径由0和1两个数字元件组成。Z形通道（b）在开态和（c）关态下可编程波导中归一化位移场的分布。

图10：U形弹性波传播。

（a）     由0和1两个数字元件组成的可编程U形传播路径。U形沟道（b）通态和（c）关态可编程波导中归一化位移场的分布。（d） 开关状态下位移分布剖面的比较。

图11：心形路径。

（a） 心形可编程闭环传播通道。（b） 闭环信道可编程波导中能量密度场的分布（通态）。

文章信息：

Li B ,  Zhang C ,  Peng F , et al. 4D printed shape memory metamaterial for vibration bandgap switching and active elastic-wave guiding[J]. Journal of Materials Chemistry C. 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d0tc04999a#!divAbstract

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