微尺度下的機(jī)械超材料由于其特殊的構(gòu)建單元而表現(xiàn)出奇特的靜態(tài)特性，但其動(dòng)態(tài)特性的研究仍然較少。它們的設(shè)計(jì)原則可以針對高應(yīng)變率變形下的頻率相關(guān)特性和彈性，使其成為適用于輕質(zhì)抗沖擊、聲波導(dǎo)或振動(dòng)阻尼應(yīng)用的多功能材料。然而，由于低通量和破壞性的表征或缺乏測試方法，獲取小尺度下的動(dòng)態(tài)特性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

基于此，麻省理工學(xué)院Carlos M. Portela、Thomas Pezeril等人演示了一種高通量、非接觸式框架，該框架使用超材料內(nèi)的MHz波傳播特征來非破壞性地提取動(dòng)態(tài)線性特性、全向彈性信息、阻尼特性和缺陷量化。使用微觀超材料的棒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，作者報(bào)告了在應(yīng)變率接近102 ?s?1時(shí)高達(dá) 94% 的方向依賴和速率依賴的動(dòng)態(tài)剛度，以及比其組成材料高出三倍阻尼特性。

作者還表明，振動(dòng)響應(yīng)中的頻移可以表征超材料內(nèi)的不可見缺陷，選擇性探測可以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)彈性表面，而這在以前只能通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。該工作為加速數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料和微器件的發(fā)現(xiàn)提供了一種途徑，可用于動(dòng)態(tài)應(yīng)用，如保護(hù)結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)超聲或隔振。

激光誘導(dǎo)彈性波

作者設(shè)計(jì)了一種基于脈沖激光的技術(shù)，利用材料樣品表面彈性波的光聲激發(fā)實(shí)現(xiàn)了微尺度超材料的高通量、無損表征。使用雙光子光刻系統(tǒng)以細(xì)長的縱橫比用IP-Dip光刻膠制造了聚合物微晶格，該系統(tǒng)接近激發(fā)時(shí)棒狀一維波傳播的極限，促進(jìn)了超材料機(jī)械性能的提取。為了測量扭轉(zhuǎn)模式，實(shí)施了橫向泵浦-連續(xù)波探針方案，通過對整體和超材料幾何形狀進(jìn)行數(shù)值特征頻率分析，進(jìn)一步確認(rèn)了模態(tài)分類，這為縱向、彎曲和扭轉(zhuǎn)模式提供了定性和定量的一致性。

圖1 超材料中彈性波的非接觸激光誘導(dǎo)激發(fā)和探測

高通量動(dòng)態(tài)機(jī)械表征

接著，作者確定了超材料的動(dòng)態(tài)機(jī)械特性。作者使用長波長極限內(nèi)的測量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)色散關(guān)系計(jì)算出每種波類型的群速度，然后使用縱向群速度來計(jì)算每個(gè)樣本的有效剛度。為了量化對樣品響應(yīng)的動(dòng)態(tài)影響，使用位移控制納米壓痕儀對與通過LIRAS測試的樣品相同的樣品進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。比較通過這兩種技術(shù)獲得的有效剛度，顯示了所有樣品的動(dòng)態(tài)剛化效果。

超材料的應(yīng)變率高達(dá)102?s?1，證實(shí)了LIRAS測量中觀察到的速率依賴性響應(yīng)。此外，結(jié)構(gòu)和各向異性可以在很寬的超聲波頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻尼特性。兩種超材料在順應(yīng)方向和彎曲主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出比剛性和拉伸主導(dǎo)的響應(yīng)更高的阻尼能力。

圖2 超材料的LIRAS動(dòng)態(tài)測量

圖3 超材料的動(dòng)態(tài)彈性和阻尼特性

全向彈性特性

作者利用LIRAS技術(shù)的功能為動(dòng)態(tài)條件下的超材料提供完全實(shí)驗(yàn)性的彈性張量提取。作者通過三種計(jì)算方法，共同預(yù)測超材料內(nèi)的預(yù)期各向異性和波傳播特性，對LIRAS得出的與測量頻率和表觀各向異性有關(guān)的特性進(jìn)行了初步驗(yàn)證。在確認(rèn)波傳播響應(yīng)和沿特定方向產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)剛度后，作者結(jié)合了從LIRAS測量中提取的所有屬性，為超材料生成了實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)彈性表面。實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)彈性表面保留了超材料的定性各向異性，[111]和[100]分別保持為八面體和十四面體中最硬的方向，并表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)剛度。

圖4 波傳播驗(yàn)證和全向彈性特性

無損缺陷識(shí)別

作者使用LIRAS通過測量微觀樣品中波傳播響應(yīng)的變化來提供高通量缺陷識(shí)別。作者設(shè)計(jì)并制造了5×5×10八位元超材料，每個(gè)垂直鑲嵌層具有不同程度的立方固體夾雜物。將夾雜物尺寸與大約10 μm八位組晶胞的尺寸相匹配，制造了每層0到4個(gè)缺陷的樣品，并測量了它們在激發(fā)時(shí)的主要共振模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)每層缺陷數(shù)量增加時(shí)，諧振頻率也增加。缺陷探索表明，共振頻移提供了足夠的分辨率來確定缺陷密度。

圖5 振動(dòng)缺陷識(shí)別

審核編輯：劉清