删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构, 具有类似流体的性质, 在声波调控中有着潜在的应用. 声学变换作为声波调控的一种重要手段, 在超材料声学器件的设计中被广泛使用. 声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料. 因此, 需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响. 本文利用有限元方法, 对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究. 研究结果表明, 三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小, 第一带隙的相对带宽增大到123%, 品质因数增大到6.9倍. 本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.
关键词: 五模超材料/
各向异性/
声子带隙/
品质因数

English Abstract


--> --> -->
五模超材料是Milton与Cherkaey[1]提出的一类具有固体形态和“流体”特性的人工微结构极值材料. 通过解除压缩波和剪切波的耦合, 使其周期性结构很难被压缩, 但却很容易发生剪切形变[2]. 由这样的结构单元周期排列构成的声学超材料, 可以实现类似“流体”的性质. 五模超材料可调的模量各向异性、较小的填充率、宽频等特点赋予五模超材料优越的水下声波调控能力[3,4].
2006年, Milton等[5]通过对传统弹性动力学方程在曲线变换下的变化规律, 提出了五模超材料用于弹性波隐身的可行性. 2008年, Norris[6]系统分析了惯性声隐身与五模超材料声隐身衣, 提出了变换声学理论在五模超材料中应用的可行性. 2010年, Scandrett等[7,8]和Boisvert等[9]利用分层化的五模超材料提出了声隐身衣的设计方法. 理想的五模超材料是由窄直径很小的双锥单元连接构成的面心立方结构, 结构稳定性较差. 为了能够得到稳定性相对较好的三维五模超材料, Kadic等[2]和Schittny等[10]加入实心小球来替代点连接, 并利用侵入式激光直写光刻技术与3D打印技术制作出了微米及毫米量级的三维实物结构. 此后, 研究人员开始对五模超材料的声学与力学特性进行研究[11-15], 设计出声学超表面[16]、声学波导[17]与声学隐身衣[18,19]等多种二维五模超材料声波调控器件.
基于变换声学理论, 五模超材料声学隐身衣能够避免惯性声学隐身衣壳层内部质量奇异点的问题, 这为五模声学隐身衣的设计和制作提供了基础[6]. 由于在二维情况下, 声波方程可以与麦克斯韦方程组一一对应, 因此对五模超材料的研究多集中在二维结构器件的设计与实验. 2015年, 张向东等[20]采用分层近似的方法, 对圆柱形分层五模超材料声学隐身衣的散射声压场进行了理论分析, 并通过数值计算验证了理论推导的正确性. 2016年, 陆智淼等[21]对基于五模超材料的声学变换方程进行了研究, 分析了影响五模超材料声学隐身衣性能的因素及规律, 结果表明合适的坐标变换方程能够有效地改善隐身效果. 同年, 陈毅等基于准对称映射梯度算法获得了任意形状的二维五模声学隐身衣. 此外, Chen等[19]还提出基于五模超材料的隐身地斗篷.
由于三维五模超材料结构的复杂性, 目前对三维五模超材料的研究还比较缺乏. Chen和Chan[22,23]利用直流电导方程在坐标变换下的不变性, 将声波方程和直流电导方程建立了一一对应的关系, 首次导出一般的三维变换声学方程, 给出了声学坐标变换前后三维空间等效参数需要满足的对应关系, 为三维五模超材料声学隐身衣的设计提供了可行的研究方法和理论基础. 在设计三维五模超材料隐身衣时, 除了需要对外部声波进行调控之外, 还需要考虑对隐身衣内部声波的抑制[13]. 声学坐标变换下, 五模超材料的周期性结构会被不同程度地压缩, 引起双锥单元的结构参数发生变化, 并对其能带结构、品质因数和填充率产生作用, 进而影响五模超材料对其内部声波的控制[24,25]. 因此, 本文基于有限元方法研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料能带特性及品质因数的影响, 为变换声学在三维五模超材料声学器件的设计及应用提供参考.
2
2.1.三维各向异性结构模型
-->三维各向同性非对称双锥五模超材料晶胞结构如图1(a)所示, 由十六个非对称双锥相交构成面心立方晶格. 非对称双锥的宽直径为D, 窄直径分别为d1d2, 高度为H, 晶格常数为a. 构造三维各向异性五模超材料有很多方式, 其中最直接的方法就是: 选取一个原胞的窄直径交点P为参考点, 分别沿四个不同方向移动交点P来构造三维各向异性五模超材料, 对应的各向异性晶胞结构如图1(b)图1(e)所示, 分别命名为模型1(X轴)、模型2(Y轴)、模型3(Z轴)、模型4(体对角线). 当点P (0.25a, 0.25a, 0.25a)如图1(a)所示时, 三维五模超材料为各向同性的, 其各向异性程度最低; 当P点移动时, 距离点(0.25a, 0.25a, 0.25a)的位置越远, 其各向异性程度就越高.
图 1 (a)各向同性五模超材料晶胞与(b)?(e)各向异性五模超材料晶胞结构示意图
Figure1. The unit cell structure of isotropy (a) and (b)?(e) anisotropic pentamode materials.

2
2.2.能带结构及品质因数
-->各向异性的引入会对组成三维非对称双锥五模超材料原胞的基元结构参数H产生影响, 使得原胞内原本相同的四个基元变得不同, 从而影响原胞内部的本征振动形态. 因此, 各向异性会影响三维非对称双锥五模超材料的带隙特性、单模区域、压缩模量及剪切模量. 为了系统地研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料的能带结构及五模特性的影响, 利用有限元仿真软件Comsol Multiphysics, 在布洛赫边界条件下对各向异性原胞进行数值计算. 原胞结构参数为 a = 37.3 mm, H = 16.15 mm, D = 3 mm, d1 = 0.6 mm, d2 = 0.3 mm. 组成材料的质量密度为1190 kg/m3、泊松比为0.4、杨氏模量 3 GPa.
图2P点沿空间对角线方向偏移0.25倍对角线长度时所对应的能带结构图, 其中横纵坐标分别对应整个简约布里渊区边界与频率. 第一带隙(黑色区域)的下边界(fl)与上边界(fu)频率分别为 9.017与10.466 kHz, 对应的相对带宽$\left(\dfrac{{\Delta \omega }}{{{\omega _{\rm{g}}}}}\right. = \left.\dfrac{{{f_{\rm{u}}} - {f_{\rm{l}}}}}{{{{({f_{\rm{u}}} + {f_{\rm{l}}})} / 2}}}\right)$为0.149, 频率落在带隙范围内的压缩波和剪切波的传播均被抑制. 单模区域(灰色区域)的下边界与上边界频率分别为 0.457与2.333 kHz, 相对带宽为1.345. 在单模区域频率范围内, 压缩波与剪切波将被解耦合, 即只有压缩波可以传播, 剪切波将被抑制.
图 2 P点沿空间对角线方向偏移0.25倍对角线长度时的能带结构
Figure2. The band structure of pentamode material with ${O_{\rm{s}}}P/\sqrt 3 a = 0.25$.

理想的三维五模超材料是难压缩、易形变的固体人工微结构, 其体积弹性模量B与剪切模量G具有较大比值. 为了描述单模区域对应压缩波与剪切波的解耦合能力, 将体积弹性模量B与剪切模量G的比值定义为品质因数(figure of merit). 品质因数越大, 五模超材料解除压缩波与剪切波耦合的能力就越好. 对于各向异性三维非对称双锥五模超材料, 弹性模量B与剪切模量G的值可由以下式子得到[26]:
${C_{11}} = 2\rho {\left(\upsilon _{110}^{T,xy}\right)^2} + {C_{12}}, $
${C_{12}} = \rho {\left(\upsilon _{110}^{L,xy}\right)^2} - {C_{44}} - \rho {\left(\upsilon _{110}^{T,xy}\right)^2}, $
${C_{44}} = \rho {\left(\upsilon _{110}^{T,z}\right)^2}, $
$G = {C_{44}}, $
$B = \left({C_{11}} + 2{C_{12}}\right)/3, $
式中${C_{11}}$, ${C_{12}}$${C_{44}}$为三维五模超材料弹性矩阵的3个独立弹性系数, $\upsilon _{110}^{T, xy}$, $\upsilon _{110}^{L, xy}$$\upsilon _{110}^{T, z}$分别为压缩波与剪切波沿[110] ($\varGamma K$)方向的相速度, $\rho = f{\rho _0}$是三维五模超材料的等效密度, $f$${\rho _0}$分别为三维五模超材料的填充率与组成材料的质量密度. 因此, 图2中三维五模超材料的品质因数约为251.
基于有限元方法, 对于四种类型的三维各向异性非对称双锥五模超材料的原胞进行能带结构数值计算, 并对其第一带隙、单模区域、品质因数的变化规律进行了系统研究, 结果如图3图7所示.
图 3 模型1的第一带隙与单模区域的(a)上下界频率; (b)相对带宽
Figure3. (a) The upper and lower edges and (b) relative bandwidth of the first phononic band gaps and single mode area of model 1.

图 7 各向异性对非对称双锥五模超材料品质因数的影响
Figure7. The influence of anisotropy on the figure of merit of asymmetric double-cone pentamode materials.

对于模型1, 当P点沿X轴方向移动时, 其第一带隙与单模区域随移动距离的变化如图3所示. 当${O_x}P/a = 0.25$时, 五模超材料的原胞为各向同性的三维结构, 这时P点的各向异性程度最小; 当${O_x}P/a = 0.05$或0.45时, 各向异性程度最大. 随着各向异性程度的增加, 第一带隙的下界频率从8.845 kHz上升到11.753 kHz, 对应的上界频率从9.538 kHz上升到14.846 kHz, 其相对带宽从0.148增加到0.233, 大约增加了57.4%. 单模区域的下界频率在0.457与0.601 kHz之间变化, 对应的上界频率在1.938与2.333 kHz之间变化, 其相对带宽从1.344减小到1.053, 大约减小了21.6%.
对于模型2, 当P点沿Y轴方向移动时, 各向异性五模超材料的第一带隙与单模区域随移动距离的变化如图4所示. 随着各向异性程度的增加, 第一带隙的下界频率在8.017—11.27 kHz之间变化, 对应的上界频率在8.421—14.852 kHz之间变化, 其相对带宽从0.147增加到0.328, 大约增加了123%. 单模区域的下界频率从0.457 kHz上升到0.632 kHz, 对应的上界频率从2.333 kHz减小到1.448 kHz, 其相对带宽从1.344减小到0.881, 大约减小了34.4%. 单模区域相对带宽在各向异性程度最大处明显下降的主要原因是由于第一带隙相对带宽增大, 单模区域的频率范围受到压缩.
图 4 模型2的第一带隙与单模区域的(a)上下界频率; (b)相对带宽
Figure4. (a) The upper and lower edges and (b) relative bandwidth of the first phononic band gaps and single mode area of model 2.

对于模型3, 当P点沿Z轴方向移动时, 各向异性五模超材料的第一带隙与单模区域随移动距离的变化如图5所示. 随着各向异性程度的增加, 第一带隙的下界频率从8.839 kHz上升到11.764 kHz, 对应的上界频率从9.527 kHz上升到14.847 kHz, 其相对带宽从0.148增加到0.236, 大约增加了59.4%. 单模区域的下界频率在0.438—0.562 kHz之间变化, 对应的上界频率在1.941—2.333 kHz之间变化, 其相对带宽从1.344减小到1.101, 大约减小了18.1%.
图 5 模型3的第一带隙与单模区域的(a)上下界频率; (b)相对带宽
Figure5. (a) The upper and lower edges and (b) relative bandwidth of the first phononic band gaps and single mode area of model 3.

对于模型4, 当P点沿对角线方向移动时, 各向异性五模超材料的第一带隙与单模区域随移动距离的变化如图6所示. 随着各向异性程度的增加, 第一带隙的下界频率在4.701—10.034 kHz之间变化, 对应的上界频率在4.992—17.794 kHz之间变化, 其相对带宽从0.147增加到0.256, 约增加了74.1%. 单模区域的下界频率在0.322—0.923 kHz之间变化, 对应的上界频率在1.217—2.333 kHz之间变化, 其相对带宽从1.344减小到0.449, 大约减小了66.6%. 在${O_{\rm{s}}}P/\sqrt 3 a = 0.05$处, 第一带隙的拓宽对单模区域的上界产生了较强的影响, 使单模区域的上界频率下降, 同时其下界频率上升, 从而单模区域相对带宽在此处下降比较明显.
图 6 模型4的第一带隙与单模区域的(a)上下界频率; (b)相对带宽
Figure6. (a) The upper and lower edges and (b) relative bandwidth of the first phononic band gaps and single mode area of model 4.

“流体”特性是非对称双锥五模超材料的主要特性之一, 而品质因数是衡量这种性质的重要参数. 各向异性对五模超材料品质因数的影响如图7所示, 由于三维非对称双锥五模超材料的各向异性变化是沿着四个不同的方向, 因此对原胞内四个双锥基元高度的影响是不同的, 即不同方向上的各向异性对三维非对称双锥五模超材料能带结构的影响也不相同. 当P点沿X轴与Y轴方向变化时, 其品质因数最大值约为251; 当P点沿Z轴变化时, 其品质因数最大值约为1730; 当P点沿对角线方向变化时, 其品质因数最大值约为327. 相对于各向同性三维非对称双锥五模超材料, 各向异性三维非对称双锥五模超材料的品质因数可以增加近6.9倍.
通过调节基元窄直径连接点P的位置, 构建了四种各向异性三维非对称双锥五模超材料模型. 由于不同方向上的各向异性变化对非对称双锥结构基元参数的影响不尽相同, 其能带结构与品质因数也会受到不同程度的影响, 本文给出了各向异性程度与三维非对称双锥五模超材料带隙特性、单模区域与品质因数的关系. 与各向同性三维非对称双锥五模超材料相比, 各向异性三维非对称双锥五模超材料第一带隙的相对带宽可被有效地拓宽, 品质因数可增大6.9倍. 研究结果可为基于三维非对称双锥五模超材料的声学器件设计提供参考. 由于各向异性的引入, 使得三维非对称双锥五模超材料的结构更为复杂, 样件加工的需求进一步提高, 整体稳定性也有所降低, 因此对具有较高稳定性且易加工的新型三维五模超材料原胞结构还需进一步研究探索.
相关话题/材料 结构 声学 设计 各向异性

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 基于微孔板与折曲通道的亚波长宽带吸声结构设计
    摘要:本文设计了一种由微穿孔板与折曲通道组成的亚波长宽带复合吸声结构,对该复合吸声器低频宽带吸声机理进行了详细分析,建立了该复合吸声结构的理论吸声解析模型与有限元数值分析模型,完成了吸声理论解和数值解的相互验证.该吸声结构在整体厚度为60mm时,理论上实现了在200—500Hz频段内平均吸声系数达0 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 电磁超材料吸波体的研究进展
    摘要:电磁吸波技术在军用和民用领域得到了广泛应用,但传统吸波技术不能满足现代吸波材料新的需求,基于超材料的吸波体具有结构简单、轻薄、吸收率高等优点,并可以实现对电磁波的灵活调控,使得电磁吸波领域获得了飞速发展.本文针对电磁超材料吸波研究进行了综述,首先介绍了电磁超材料吸波方法与机理,指出了研究中遇到 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 氧化物玻璃中的类分子结构单元
    摘要:本文引入团簇加连接原子模型来解析硅酸盐玻璃相关氧化物的结构,并给出了这些氧化物的最小结构单元——类分子结构单元.参与网络形成体的氧化物主要以三角形或者四面体的配位体形式存在,构建玻璃的三维网络状骨架.如基础的网络形成体SiO2,其类分子结构单元团簇式是为[Si-O4]Si,含有的价电子数为32 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于二维材料二硒化锡场效应晶体管的光电探测器
    摘要:以二硒化锡作为沟道材料,设计并制备基于二硒化锡场效应晶体管的光电探测器.以化学气相输运法制备的二硒化锡纯度高且结晶度良好,对二硒化锡使用机械剥离法制备出层状二硒化锡,薄膜的横向尺寸最大可达25—35μm,最薄厚度仅为1.4nm,使用图形转移法制备基于二硒化锡的场效应晶体管,表面光滑无褶皱,且表 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于机械剥离β-Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的Ni/Au垂直结构肖特基器件的温度特性
    摘要:本文制备了基于机械剥离β-Ga2O3的Ni/Au垂直结构肖特基器件,对该器件进行了温度特性I-V曲线测试.器件表现出了良好的二极管特性,随着温度从300K升高至473K,势垒高度从1.08eV上升至1.35eV,理想因子从1.32降低至1.19,二者表现出了较强的温度依赖特性,这表明器件的肖特 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 铁电材料中的电畴: 形成、结构、动性及相关性能
    摘要:铁电材料的研究有近百年的历史,而铁电畴的存在是铁电材料最基本的微观结构特征.随着材料制备和表征技术的发展,铁电畴的排列组合方式对材料性能的影响越来越凸显.而近年来的研究显示,铁电畴及畴壁甚至能够作为各种微纳电子器件的独立功能单元,在信息存储、能量转换、机电驱动、量子计算等领域有着广泛的应用潜力 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 铁电材料中的极性拓扑结构
    摘要:调控磁性材料中的自旋拓扑结构(流量闭合型、涡旋、半子(meron)、斯格明子(skyrmion)等自旋组态)可以改进材料的磁性和电磁性能,因而引起了学术界的广泛关注.最近研究表明,在尺寸效应、界面耦合及其相互作用、外延应变等作用下,铁电材料中也会出现自发的极性拓扑畴结构,同时表现出新的铁电相结 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 利用X射线衍射技术对压电材料本征与非本征起源探究的研究进展
    摘要:钙钛矿铁电压电材料具有高介电压电常数和高机电耦合系数等特点,在工业、消费电子和军事等领域具有广泛的应用,其压电性能起源的机理及与材料多尺度结构之间的关系一直是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点.铁电材料的压电效应主要来源于本征的场致晶格畸变以及非本征的畴翻转和畴壁运动,理解并区分这两种压电效应 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 铁电材料中电场对唯象系数和电卡强度的影响
    摘要:由于电场强度能够影响铁电材料的极化强度和介电常数,因此唯象系数${a}_{0}$是电场强度的隐函数.在铁电相区域,唯象系数${a}_{0}$由铁电极化强度和介电常数倒数确定,是电场的非线性函数.在顺电相区域,唯象系数${a}_{0}$由介电常数倒数确定,也是电场的非线性函数.本文研究了铁电共聚 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 低损耗材料微波介电性能测试中识别TE<sub>01δ</sub>模式的新方法
    摘要:工作于TE01δ模式的金属谐振腔法是评价低损耗材料微波介电性能的通用方法.微波介质谐振器均为多模式谐振器,故正确识别TE01δ模式是微波介电测试的基础.TE01δ模式的识别可通过预测谐振频率及其随谐振器尺寸的变化、根据激励条件排除寄生模式等手段实现,但已有方法存在复杂、易识别错误等缺点.为此, ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29