声子玻璃的性能优化与压电--导电机制引入途径研究

来源 :中国科学院大学 中国科学院力学研究所 中国科学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:no3ice
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新型宽频水下吸声材料在规避声呐搜索的消声瓦、水下声传输系统等方面有着迫切的国家需求。目前亟待解决的关键技术问题是提高材料在宽频范围内的吸声能力、保持材料在高静水压力下的强吸声特性以及加强复杂环境下材料的综合服役性能。在现有基础研究上的原理创新性探索和深入研究,有利于这些关键技术问题的解决。局域共振声子晶体(或称局域共振声学超材料)的晶格尺寸可以比布拉格散射声子晶体产生的禁带波长小1-2个数量级,具有利用小尺寸控制大波长的能力,可广泛应用于新型声波波导,滤波器以及声开关等器件的设计与制造。最近的理论计算表明,当考虑其粘弹性形变时,在局域共振频率将产生最大的粘弹性能量损耗。这意味着局域共振声子晶体可以被用于拓展水下吸声材料的研究领域。可是局域共振声子晶体只能在某一窄频范围内产生强吸收,这与吸声材料通常被设计成宽频强吸收的目标是不一致的,为了解决这一问题,需要在局域共振声子晶体中引入一些特殊的结构。互穿网络材料具有独特的结构特点和特殊性质,在很多潜在的领域具有广泛的应用前景。在前期工作中,我们将局域共振单元引入到互穿网络结构材料中,提出了一种被称为声子玻璃的水下吸声材料,它具有抗压和宽频强吸声的双重特性。  声子玻璃研究的核心科学问题是建立起网络化局域共振吸声机制的合理力学分析模型,探索网络化局域共振结构对材料内弹性波传播与吸收的响应机制。本文利用数值分析方法并结合实验研究,深入探索了局域共振单元、互穿网络结构以及材料物性参数之间的关系,并探讨了声子玻璃的能量耗散机制。我们通过对声子玻璃结构的性能优化改善了其水下吸声性能,使声子玻璃获得了在600-9000Hz低频宽带范围内吸声系数超过0.8的强吸声效果,本文的研究将为解决材料低频宽带强吸声问题提供科学依据和新途径。  此外,为了减小声子玻璃在低频应用的厚度,可以将压电-导电效应引入到声子玻璃结构中。为了实现这一目标,需要将压电陶瓷和多壁碳纳米管的复合物连接到泡沫金属上。在本文中,我们利用两步自组装的办法,将金属氧化物粒子负载到连接在金属上的多壁碳纳米管表面。这一研究方法为压电-导电机制在声子玻璃中的引入奠定了基础。  本课题的研究将为解决材料高静水压力下宽频强吸声问题提供科学依据和新途径。
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