三維晶格超材料
關注創建者：學時習 創建時間：2023-08-28
三維晶格超材料的實例教程
原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。因此，通過合理地調整結構參數，可以獲得所需的隔振性能和耐撞性。最后，從隔振性能和耐撞性等綜合方面進行了多目標優化，得到了新型三維超材料的優化設計。本工作為開發具有隔振性能和耐撞性的多功能超材料提供了新的可能性。
原文總結：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設計，并對其振動隔離能力和耐撞性進行了全面的研究。通過多目標優化來優化變形材料，同時考慮了振動隔離和耐撞性。主要結論如下：
(1) 通過調整所提出的三維變形材料的結構參數，可以控制帶隙和破壞響應，從而控制振動隔離特性和能量吸收性能。
(2) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著b的增加而先打開后關閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現先增加后減小的趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著b的增加而增加。
(3) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著d的增加而逐漸減小。帶隙的群速度范圍隨著d的增加而呈下降趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時先減小后增加。總體上講，隨著d的增加，聲能吸收效率(SEA)的差異并不顯著。
(4) 隨著t的變化，群速度范圍的變化相對較小。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著t的增加而增加。
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<p> 本案例建立了一六面體晶格結構，如圖1所示。模型中內核是硬質高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質彈性硅膠，外殼是硬質樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔?；贑OMSOL軟件對特征值求解分析作波矢參數的參數化掃描，得到特征頻率和振型模態的結果，如圖2所示。提取最低價的本征頻率，繪制了晶胞參數的頻帶結果圖，如圖3所示。
近期英國帝國理工學院團隊發表了一項材料學最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強度增加但質量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。
注：網絡配圖
晶格結構由重復節點和連接支柱組成，結合3D打印技術，制造出來的材料既輕便又堅固。然而，一旦這些材料失效，會帶來災難性后果，這限制了它們的實際應用。而失效的原因在于這些材料的結構——晶格整體取向單一。
同樣的現象也存在于金屬單晶中，其結構類似，內部會沿特定平面發生滑移而變形。不過，在包含不同取向晶粒的多晶材料中，晶粒邊界有助于阻止正在成形的滑移和裂縫進一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網絡配圖
此次，帝國理工學院科學家模擬多晶材料，設計了具有粒狀結構的新型晶格狀超材料，使內部晶格的不同區域具有不同的取向。
研究人員發現，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發生形變時，比傳統超材料更堅固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強度可以通過縮小每個粒狀晶格區域的尺寸來增強。
研究團隊創造了在施壓后能夠扭變成不同構型的特殊“變斑晶”，模仿的是晶體材料中類似的重排。綜合而言，這些成果將會為科學界帶來更加堅固且適合于各種應用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學家對物質基礎性狀的理解程度有關，還與新理論及相關驗證的效率有關，甚至與生產工藝、模擬工具的創新能力都息息相關。掌握其中的奧秘，學會調整某些參數，創造出符合生產、生活需求的全新材料，這就是化學家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日報
展開 本文首先總結了相變存儲材料在信息技術中的廣泛應用，特別介紹近幾年相變存儲材料領域的研究熱點—GeTe/Sb2Te3超晶格材料在超低功耗數據存儲中的重要前景。然后，討論了相變超晶格在微觀原子結構和工作原理探究方面的主要進展，并對目前提出的主流工作機制進行點評和分析：開發超晶格相變存儲器的日本產綜研最早提出Ge層整體翻轉的工作機制，然而該機制面臨原子跳變勢壘大、原子模型難以被電鏡實驗觀察等困難，在此上介紹了業界最近提出的另外幾種重要機制，包括微區部分融化（部分非晶化）機制、堆疊層錯輔助金屬絕緣體相變機制、應變輔助相變機制等。文章進一步討論了超晶格材料制備方法、材料組分和元素摻雜對器件性能的影響，并據此提出提升器件性能的超晶格材料優化策略。最后，展望了超晶格相變存儲材料的新型應用。
【圖文導讀】
圖1.電子設備和物聯網產生的數碼數據的增長趨勢
圖2. 計算機中的典型存儲架構
圖3. 相變存儲基本原理及應用
圖4. 相變存儲材料工作過程中的能量耗散示意圖
圖5.
展開 圖4.具有機構模塊3D鑲嵌的超材料。a)通過在3D空間中鑲嵌系列組件而創建的3D超材料的設計方案I。b)三維超材料的設計方案II，分別在x、y和z方向上具有(mx+nx)、(my+ny)和(mz+nz)模塊，以形成立方體網格的框架。
本文通過對Wohlhart多面體的運動學分析，揭示了該機構有EC、EP和LT三條運動路徑，分別位于分岔點B0和Bx/By/Bz。以單一機構為模塊，通過分叉可以在EC、EP和LT路徑下不同的泊松比、NPR、PPR和ZPR之間進行切換。因此，泊松比可以隨模體的運動而調節，但對幾何參數不敏感。由于模塊的可重構性，通過調整?∞和+∞狀態模塊的數目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內對正交平面上的泊松比進行獨立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設計的靈活性。
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本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。
<p> 本案例建立了一六面體晶格結構，如圖1所示。模型中內核是硬質高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質彈性硅膠，外殼是硬質樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔。基于COMSOL軟件對特征值求解分析作波矢參數的參數化掃描，得到特征頻率和振型模態的結果，如圖2所示。提取最低價的本征頻率，繪制了晶胞參數的頻帶結果圖
機械超材料因其非常規的性能而引起人們極大的研究興趣，這些特性來自于單元的微觀結構。形狀配置是實現結構或系統不同性質的可編程性的一種有效方法，而現有的研究主要集中在多自由度系統或沿單一運動路徑變形的有限配置上。 來自天津大學的學者從一個單自由度的Wohlhart多面體模型出發，通過運動學分叉沿著多個運動路徑探索其有趣的拓撲變換，并伴隨著可調的力學性質，包括泊松比、手性和堅硬度。此外，這些模塊被鑲嵌成
近期英國帝國理工學院團隊發表了一項材料學最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強度增加但質量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。
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晶格結構由重復節點和連接支柱組成，結合3D打印技術，制造出來的材料既輕便又堅固。然而，一旦這些材料失效，會帶來災難性后果，這限制了它們的實際應用
【前言】
信息存儲在人類歷史的演變中發揮了重要作用。如今，電子技術的發展大大增加了數碼數據量。據統計，全球數碼數據量每兩年翻一番，到2020年，將達到44澤字節（1澤字節 = 10萬億億字節）。隨著物聯網的發展，每秒鐘都有大量的數據以視頻、音樂、圖片、網上社交、商業信息等形式產生并傳輸。因此，大數據的存儲、傳輸和處理將面臨嚴峻挑戰。當下迫切需要具有快速度、
