三維晶格超材料的案例
三維晶格超材料的隔振性能及耐撞性研究
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(gè)空心菱形十二面體和六個(gè)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(shí)，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過合理地調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到了新型三維超材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本工作為開發(fā)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(jié)：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設(shè)計(jì)，并對(duì)其振動(dòng)隔離能力和耐撞性進(jìn)行了全面的研究。通過多目標(biāo)優(yōu)化來優(yōu)化變形材料，同時(shí)考慮了振動(dòng)隔離和耐撞性。主要結(jié)論如下：
(1) 通過調(diào)整所提出的三維變形材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以控制帶隙和破壞響應(yīng)，從而控制振動(dòng)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(guān)閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。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(shì)。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時(shí)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(duì)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。
展開 超材料六面體晶格帶隙設(shè)計(jì)數(shù)值仿真 ￥1000
<p> 本案例建立了一六面體晶格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。模型中內(nèi)核是硬質(zhì)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(zhì)彈性硅膠，外殼是硬質(zhì)樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質(zhì)樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔。基于COMSOL軟件對(duì)特征值求解分析作波矢參數(shù)的參數(shù)化掃描，得到特征頻率和振型模態(tài)的結(jié)果，如圖2所示。提取最低價(jià)的本征頻率，繪制了晶胞參數(shù)的頻帶結(jié)果圖，如圖3所示。
多向晶格+3D打?。喝氯嗽?em>超材料輕便又堅(jiān)固
近期英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)材料學(xué)最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強(qiáng)度增加但質(zhì)量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結(jié)合3D打印技術(shù)制成，而其中新型晶格則是根據(jù)強(qiáng)金屬合金的基本原理設(shè)計(jì)的。
注：網(wǎng)絡(luò)配圖
晶格結(jié)構(gòu)由重復(fù)節(jié)點(diǎn)和連接支柱組成，結(jié)合3D打印技術(shù)，制造出來的材料既輕便又堅(jiān)固。然而，一旦這些材料失效，會(huì)帶來災(zāi)難性后果，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。而失效的原因在于這些材料的結(jié)構(gòu)——晶格整體取向單一。
同樣的現(xiàn)象也存在于金屬單晶中，其結(jié)構(gòu)類似，內(nèi)部會(huì)沿特定平面發(fā)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(jìn)一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網(wǎng)絡(luò)配圖
此次，帝國(guó)理工學(xué)院科學(xué)家模擬多晶材料，設(shè)計(jì)了具有粒狀結(jié)構(gòu)的新型晶格狀超材料，使內(nèi)部晶格的不同區(qū)域具有不同的取向。
研究人員發(fā)現(xiàn)，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發(fā)生形變時(shí)，比傳統(tǒng)超材料更堅(jiān)固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強(qiáng)度可以通過縮小每個(gè)粒狀晶格區(qū)域的尺寸來增強(qiáng)。
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了在施壓后能夠扭變成不同構(gòu)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(huì)為科學(xué)界帶來更加堅(jiān)固且適合于各種應(yīng)用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學(xué)家對(duì)物質(zhì)基礎(chǔ)性狀的理解程度有關(guān)，還與新理論及相關(guān)驗(yàn)證的效率有關(guān)，甚至與生產(chǎn)工藝、模擬工具的創(chuàng)新能力都息息相關(guān)。掌握其中的奧秘，學(xué)會(huì)調(diào)整某些參數(shù)，創(chuàng)造出符合生產(chǎn)、生活需求的全新材料，這就是化學(xué)家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日?qǐng)?bào)
展開 Mater.綜述：面向低功耗和高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)用的相變超晶格材料：微觀圖像
本文首先總結(jié)了相變存儲(chǔ)材料在信息技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，特別介紹近幾年相變存儲(chǔ)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)—GeTe/Sb2Te3超晶格材料在超低功耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的重要前景。然后，討論了相變超晶格在微觀原子結(jié)構(gòu)和工作原理探究方面的主要進(jìn)展，并對(duì)目前提出的主流工作機(jī)制進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和分析：開發(fā)超晶格相變存儲(chǔ)器的日本產(chǎn)綜研最早提出Ge層整體翻轉(zhuǎn)的工作機(jī)制，然而該機(jī)制面臨原子跳變勢(shì)壘大、原子模型難以被電鏡實(shí)驗(yàn)觀察等困難，在此上介紹了業(yè)界最近提出的另外幾種重要機(jī)制，包括微區(qū)部分融化（部分非晶化）機(jī)制、堆疊層錯(cuò)輔助金屬絕緣體相變機(jī)制、應(yīng)變輔助相變機(jī)制等。文章進(jìn)一步討論了超晶格材料制備方法、材料組分和元素?fù)诫s對(duì)器件性能的影響，并據(jù)此提出提升器件性能的超晶格材料優(yōu)化策略。最后，展望了超晶格相變存儲(chǔ)材料的新型應(yīng)用。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)碼數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)
圖2. 計(jì)算機(jī)中的典型存儲(chǔ)架構(gòu)
圖3. 相變存儲(chǔ)基本原理及應(yīng)用
圖4. 相變存儲(chǔ)材料工作過程中的能量耗散示意圖
圖5.
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天大《AFM》：三維可編程超材料！
圖4.具有機(jī)構(gòu)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(chuàng)建的3D超材料的設(shè)計(jì)方案I。b)三維超材料的設(shè)計(jì)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(wǎng)格的框架。
本文通過對(duì)Wohlhart多面體的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，揭示了該機(jī)構(gòu)有EC、EP和LT三條運(yùn)動(dòng)路徑，分別位于分岔點(diǎn)B0和Bx/By/Bz。以單一機(jī)構(gòu)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(jìn)行切換。因此，泊松比可以隨模體的運(yùn)動(dòng)而調(diào)節(jié)，但對(duì)幾何參數(shù)不敏感。由于模塊的可重構(gòu)性，通過調(diào)整?∞和+∞狀態(tài)模塊的數(shù)目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內(nèi)對(duì)正交平面上的泊松比進(jìn)行獨(dú)立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設(shè)計(jì)的靈活性。
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