壓電超構(gòu)材料及其波動(dòng)控制研究:現(xiàn)狀與展望1)

袁 毅 游鎮(zhèn)宇 陳偉球

(浙江省軟體機(jī)器人與智能器件研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)工程力學(xué)系,杭州 310007)

引言

超構(gòu)材料或超材料(metamaterials)是將精心設(shè)計(jì)的基本單元通過一定的空間排列來實(shí)現(xiàn)普通材料所不具有的奇異或反常性能,如帶隙、波導(dǎo)、負(fù)折射、負(fù)模量、負(fù)密度、超透鏡、聲學(xué)聚焦、聲學(xué)隱身和拓?fù)鋺B(tài)等[1-2],已成為一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域.過去幾十多年來陸續(xù)出現(xiàn)的左手材料[3]、光子晶體[4]、聲子晶體[5]、時(shí)間晶體[6]甚至超表面[7]等都可以歸類于超構(gòu)材料.超構(gòu)材料在通信、醫(yī)學(xué)、國防軍事、航天航空、遙感等諸多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景.中國、美國、歐盟、日本和俄羅斯等主要國家和組織都設(shè)立了相應(yīng)的創(chuàng)新研究計(jì)劃來推動(dòng)超構(gòu)材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研發(fā)[8]:例如美國F-22 戰(zhàn)斗機(jī)己成功應(yīng)用具有隱身功能的超構(gòu)材料天線罩;歐盟組織了數(shù)十位著名學(xué)者對(duì)超構(gòu)材料開展聯(lián)合攻關(guān)研究;日本政府將超構(gòu)材料技術(shù)視作下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù),并撥付巨額資金予以重點(diǎn)研究;俄羅斯研發(fā)了超構(gòu)材料干擾機(jī)天線罩,并已裝備在現(xiàn)代級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦“激烈號(hào)”上.我國也把發(fā)展超構(gòu)材料研發(fā)納入了國家戰(zhàn)略,如在“十三五”規(guī)劃綱要中強(qiáng)調(diào)要“大力發(fā)展超材料等納米功能材料”.事實(shí)上,我國于2019年6月4日已正式頒布國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)載超材料天線罩通用規(guī)范》(GB/T 37657—2019),2020年1月1日起正式實(shí)施,這表明超構(gòu)材料在我國已穩(wěn)步走向?qū)嶋H應(yīng)用.目前超構(gòu)材料的商業(yè)化進(jìn)程還處于初級(jí)階段,但據(jù)美國n-tech Research (https://www.ntechresearch.com/)發(fā)布的報(bào)告,預(yù)計(jì)在2025年超構(gòu)材料的市場(chǎng)規(guī)模即可達(dá)41 億美元,發(fā)展空間很大.需要強(qiáng)調(diào)的是,常規(guī)新材料的研發(fā)也是各國重點(diǎn)部署的任務(wù),只是更著眼于常規(guī)性能(如強(qiáng)度、韌性、硬度、力電耦合系數(shù)等)的提升.

彈性波超構(gòu)材料(elastic wave metamaterials),如聲子晶體,主要調(diào)控聲波或彈性波在介質(zhì)中的傳播.彈性波是一種矢量波,在各向同性波導(dǎo)中,縱波和橫波往往相互作用和糾纏,使其波動(dòng)現(xiàn)象遠(yuǎn)比電磁波和聲波復(fù)雜,理論分析較為困難,因此其研究也更具挑戰(zhàn)性[9].歷史上,周期結(jié)構(gòu)的研究最早可以追溯到1883年——Floquet 研究了波在一維周期結(jié)構(gòu)中的傳播問題.Bloch 在1928年又將Floquet 的結(jié)論推廣到三維結(jié)構(gòu)中,得到了著名的Bloch 定理.1946年,Brillouin 在其著作《Wave Propagation in Periodic Structures》中詳細(xì)地研究了周期彈簧?質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)特性[10].直到1993年,Kushwaha 等[5]研究二維復(fù)合材料時(shí),根據(jù)這類周期結(jié)構(gòu)的聲學(xué)與振動(dòng)特征,首先提出了聲子晶體的概念.早期研究的聲子晶體所形成的禁帶大多是由Bragg 散射機(jī)制引起的.Liu 等[11]在2000年研究橡膠、鉛和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的三維晶體,揭示了新的禁帶產(chǎn)生機(jī)理,即局域共振機(jī)理.該機(jī)理允許“小尺寸控制大波長(zhǎng)”,更滿足實(shí)際應(yīng)用需求,為超構(gòu)材料的研究打開了新的疆域.值得指出的是,基于局域共振機(jī)理的超構(gòu)材料對(duì)微結(jié)構(gòu)周期性的要求并不嚴(yán)格,但本文聚焦于具有周期性的彈性波超構(gòu)材料.

超構(gòu)材料一般是選擇已有材料,通過設(shè)計(jì)新的微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)越而奇異的性能,在材料選擇時(shí)有一定的規(guī)律可以遵循:高/低模量一般對(duì)應(yīng)高/低工作頻率;不同組分相之間阻抗差異大一般對(duì)應(yīng)更寬帶隙;為了進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控,一般會(huì)選擇壓電材料、形狀記憶合金、磁流變液等智能材料,等等.

總之,超構(gòu)材料利用人工結(jié)構(gòu)的精心構(gòu)筑實(shí)現(xiàn)超常性能,為高性能功能材料的研發(fā)確立了嶄新模式,為超常規(guī)器件的研制提供了理論指導(dǎo),既有重要的科學(xué)價(jià)值,也有巨大的應(yīng)用前景.雖然從左手材料的概念提出至今,超構(gòu)材料的研究歷史已將近一甲子,但事實(shí)上只在最近20年左右其研究才真正得到了蓬勃發(fā)展,被評(píng)為21 世紀(jì)前10年10 項(xiàng)重大突破之一[12].特別是最近十余年來,隨著“拓?fù)洹备拍钆c超構(gòu)材料的深入結(jié)合,由量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的獨(dú)特現(xiàn)象在宏觀材料體系上得到證實(shí),進(jìn)一步增強(qiáng)了人們對(duì)超構(gòu)材料的研究熱情[13].

1 可調(diào)彈性波超構(gòu)材料

1.1 彈性波超構(gòu)材料的可調(diào)性

彈性波超構(gòu)材料的可調(diào)性能使其更好地適應(yīng)環(huán)境變化,拓寬工作頻率范圍,克服被動(dòng)式超構(gòu)材料單頻或窄頻工作的嚴(yán)重缺點(diǎn)[14].可調(diào)超構(gòu)材料的研究始于Goffaux 和Vigneron[15]的研究,他們于2001年針對(duì)流固系聲子晶體提出將非軸對(duì)稱的固體散射體轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度以改變禁帶寬度.除了通過旋轉(zhuǎn)散射體調(diào)控超構(gòu)材料力學(xué)特性外[16-18],施加外界載荷改變結(jié)構(gòu)的剛度或形狀也是一種有效方法[19-23],如Bertoldi 等[24-25]通過壓縮具有負(fù)泊松比的多孔軟材料結(jié)構(gòu)以達(dá)到拓寬禁帶的目的.

1.2 壓電材料在可調(diào)彈性波超構(gòu)材料中的應(yīng)用

在眾多智能材料中,壓電材料毫無疑問是研究最充分、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的智能材料.無論是厚重堅(jiān)硬的壓電陶瓷或合金、還是輕質(zhì)柔軟的聚合物,無論是導(dǎo)體還是半導(dǎo)體,無論體積大小,無論低頻還是高頻,都能找到壓電材料的蹤影或應(yīng)用.常見的壓電材料可分為壓電晶體(如石英晶體)、壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛PZT)以及壓電聚合物(如聚偏氟乙烯PVDF)三大類,三類壓電材料各有優(yōu)缺點(diǎn),在不同領(lǐng)域都有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值.壓電材料最顯著的特點(diǎn)是存在力電耦合效應(yīng)[40]:在機(jī)械荷載的作用下會(huì)出現(xiàn)表面電荷并在體內(nèi)形成電場(chǎng)(正壓電效應(yīng)),也可以在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形(逆壓電效應(yīng)).這一力電耦合特性賦予了壓電材料在電能和機(jī)械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力,從而在換能器、傳感器和激勵(lì)器等應(yīng)用中大顯身手.與其他智能材料相比,壓電材料具有響應(yīng)速度快、控制精度高、體積小、市場(chǎng)大、價(jià)格便宜等突出優(yōu)點(diǎn).

圖1 展示的是壓電聲子晶體和壓電超材料的研究文獻(xiàn)數(shù)量隨年份變化趨勢(shì)以及學(xué)科分布情況(數(shù)據(jù)來源于2021年05月的Scopus 數(shù)據(jù)庫,檢索方式為:標(biāo)題、摘要和關(guān)鍵詞中檢索“piezoelectric”,且全文檢索“phononic”或“metamaterial”或“phononic 和metamaterial”).

圖1 壓電聲子晶體和壓電超材料(a)研究文獻(xiàn)數(shù)量趨勢(shì)及(b)學(xué)科分布情況Fig.1 (a) Trends in the number of research documents and(b) discipline distribution on piezoelectric phononic crystals and piezoelectric metamaterials

2 壓電分流電路

壓電材料優(yōu)異的力電耦合效應(yīng)使得利用不同的外接電路改變壓電材料力學(xué)性能進(jìn)而調(diào)控超構(gòu)材料各方面特性成為可能.設(shè)計(jì)電路最關(guān)鍵的問題在于尋找簡(jiǎn)單且有效的方式來控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng),而理想的控制電路具有穩(wěn)定性、低能耗以及針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的魯棒性.

已有不少文章詳細(xì)地分析對(duì)比了常見的幾種壓電分流電路[41-42],其電路圖以及特點(diǎn)分別匯總于圖2 和表1.當(dāng)外接電路中僅有電阻元器件時(shí),稱為電阻分流電路[43-44],壓電材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電路中的電能,部分能量以熱能的形式耗散.若同時(shí)串聯(lián)或并聯(lián)地接入電阻和電感,則形成諧振單模分流電路[44-47],如果電路的諧振與機(jī)械系統(tǒng)的諧振相等,則電路將處于諧振狀態(tài),并且將產(chǎn)生相當(dāng)大的控制力來抵抗機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng);對(duì)應(yīng)地,諧振多模分流電路[48-50]則可以調(diào)控更多頻段的機(jī)械振動(dòng).

圖2 常見壓電分流電路圖匯總[42]Fig.2 Summary of common piezoelectric shunt circuit diagrams[42]

通過圖2(d) 左圖中的電路能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)電容(negative capacitance,NC)[51].負(fù)電容能夠抵消壓電換能器中固有的電容,從而使得在電阻中的能量耗散最大化.利用負(fù)電容分流電路[52-58]調(diào)控是最近得到特別關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn).通過與壓電片的連接,負(fù)電容分流電路一方面可以有效改變壓電材料的等效剛度[59-60],另一方面可以在很大范圍內(nèi)連續(xù)改變系統(tǒng)的阻尼,產(chǎn)生很好的阻尼效應(yīng)[61-63],從而使其在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中突顯出一定的優(yōu)越性.需要注意的是,環(huán)境以及需求的變化可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振頻率發(fā)生巨大改變,同時(shí)溫度也會(huì)引起控制電路中電容發(fā)生改變,影響分流電路的調(diào)節(jié)性能,而自適應(yīng)分流電路[64-65]能夠克服該困難.同步開關(guān)阻尼分流電路[66-71]是一種半主動(dòng)控制方法,根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率周期性地打開或關(guān)閉開關(guān),等效于提供一個(gè)非線性的沖擊載荷,這種分流電路不需要對(duì)被控結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的系統(tǒng)辨識(shí),振動(dòng)控制效果較好并且穩(wěn)定性高,外界環(huán)境的改變對(duì)控制系統(tǒng)影響較低,最主要的是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,僅需要較少的電子元器件即可實(shí)現(xiàn)[72].

3 壓電彈性波超構(gòu)材料研究進(jìn)展

到目前為止,壓電超構(gòu)材料可按壓電材料的使用方式分成兩種不同的類型(如圖3 所示,其中橙色為壓電材料,藍(lán)色為其他材料,黑色代表質(zhì)量塊):第一類是將壓電材料作為超構(gòu)材料的主體材料(包含作為多組元聲子晶體中的一種材料相);第二類是制成壓電彈簧或以壓電片的形式粘貼在彈性主體結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)嵌在主體結(jié)構(gòu)中作為傳感器或/和激勵(lì)器.接下來將介紹兩類壓電超構(gòu)材料的研究?jī)?nèi)容與研究進(jìn)展.

圖3 兩類壓電超構(gòu)材料示意圖Fig.3 Schematic diagrams of two categories of piezoelectric metamaterials

3.1 第一類壓電超構(gòu)材料研究進(jìn)展

Wilm 等[73]于2002年首先考察了壓電復(fù)合材料聲子晶體中波的傳播,但他們將側(cè)重點(diǎn)放在了平面波展開法的應(yīng)用和推廣上,并未探討壓電材料對(duì)力學(xué)特性的調(diào)控作用.次年,他們又研究了嵌入石英棒的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)[74],給出了面外波的能帶結(jié)構(gòu),并指出使用該復(fù)合材料作彈性波導(dǎo)的建議.Hou 等[75]研究了由壓電陶瓷和聚合物組成的彈性復(fù)合材料,通過比較具有和不具有壓電效應(yīng)的彈性帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓電材料填充比例較小或僅考慮低頻區(qū)域時(shí),壓電效應(yīng)可以忽略;壓電相填充率(或體分比)較大時(shí),壓電效應(yīng)可增大全帶隙寬度.Laude 等[76]和Wu 等[77]分別考察了不同構(gòu)型的壓電聲子晶體半空間,討論了表面波模態(tài)的存在條件和力電耦合的影響.Hsu 和Wu[78]則分析了Bleustein?Gulyaev?Shimizu 表面波的傳播特性.此后,壓電聲子晶體的研究得到了更多的研究者的關(guān)注,研究興趣穩(wěn)步上升.

最后，航海保障部門是IMO e航海戰(zhàn)略在國內(nèi)的主要研究單位，同時(shí)也是國內(nèi)對(duì)接IMO、IALA、IHO等國際組織涉及e航海，MS相關(guān)議題的主要負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)，具有國際交流合作和動(dòng)態(tài)跟蹤的優(yōu)勢(shì)。這對(duì)于未來全球e航海服務(wù)的互聯(lián)互通是十分重要的。

早期大多數(shù)的研究都是將力電耦合效應(yīng)納入到分析模型中,考察其對(duì)不同結(jié)構(gòu)的壓電聲子晶體中不同模態(tài)波(體波、表面波、板波等)傳播的影響,并以此為據(jù)設(shè)計(jì)可調(diào)彈性波器件.有學(xué)者在該領(lǐng)域中作了大量工作,比如受預(yù)應(yīng)力的周期壓電桿結(jié)構(gòu)[79]、二維周期分層壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)[80-81]失諧時(shí)面內(nèi)波(或瑞利波[82])的傳播和局域化行為;壓電材料對(duì)二維[83-84]、三維[85]超構(gòu)材料以及不同形狀的夾雜[86]對(duì)聲子晶體帶隙的調(diào)節(jié)作用(如圖4 所示).Zou 等[87]發(fā)現(xiàn)二維壓電聲子晶體的第一階帶隙與填充率和極化方向等因素有關(guān);此外,通過不同的外接電路可以主動(dòng)控制壓電超構(gòu)材料的帶隙特征[88],如Wang 等[89]通過LC 外接電路精確且面向目標(biāo)地控制低頻Lamb 波的帶隙.Ponge 等[90]用壓電聲子晶體設(shè)計(jì)了可調(diào)的Fabry?Perot 諧振器.Hou 與Assouar[91]則設(shè)計(jì)了具有負(fù)彈性模量的壓電超構(gòu)材料來調(diào)節(jié)帶隙.Lian 等[92]提出了一種改進(jìn)的平面波展開法,用于計(jì)算外接分流電路的壓電聲子晶體的帶隙特征.在具有力電耦合效應(yīng)的壓電超構(gòu)材料中,還可以進(jìn)一步引入壓磁材料,實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能、磁能的相互轉(zhuǎn)換,通過力?電?磁多場(chǎng)耦合效應(yīng)優(yōu)化超構(gòu)材料的帶隙[83,93-94]或隱身[95]等特性.

圖4 夾雜形狀對(duì)二維壓電聲子晶體帶隙的影響[86]Fig.4 The influence of inclusion shape on the band gap of two-dimensional piezoelectric phononic crystals[86]

運(yùn)用壓電材料除了能設(shè)計(jì)帶隙可調(diào)的智能超構(gòu)材料,還能探究波的局域化[96]、單向傳輸[97-98]和波導(dǎo)[99]等特性.如Lan 和Wei[96]分析了壓電效應(yīng)和弱界面對(duì)層狀壓電聲子晶體帶隙的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)弱界面會(huì)降低帶隙頻率,并產(chǎn)生波的局域化行為.Zheng 等[97]則介紹了一種使用非線性壓電元結(jié)構(gòu)操縱單向彈性波傳輸?shù)男路f方法,并從實(shí)驗(yàn)上研究了超傳輸現(xiàn)象,如圖5 所示.Oh 等[99]設(shè)計(jì)的一個(gè)由PZT-5A 壓電桿周期排布在硅膠基體中形成的壓電聲子晶體波導(dǎo),通過在壓電桿上施加不同的電學(xué)條件,即可形成所需要的彈性波傳播路徑.

圖5 非線性壓電超結(jié)構(gòu)帶隙調(diào)控與超傳輸[97]Fig.5 Band gap regulation and super transmission of nonlinear piezoelectric metastructure[97]

當(dāng)前第一類壓電超構(gòu)材料研究有若干方向值得關(guān)注.第一,將共振單元等一些特殊的微結(jié)構(gòu)或相關(guān)的概念(包括拓?fù)渎晫W(xué))引進(jìn)來,推動(dòng)了壓電超構(gòu)材料微結(jié)構(gòu)?波動(dòng)性能?聲學(xué)器件的一體化設(shè)計(jì)與多功能化實(shí)現(xiàn)[100-105].如Zhou 等[105]提出了一種在A-BA 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的壓電桿系統(tǒng)中生成主動(dòng)可調(diào)拓?fù)浔Ｗo(hù)界面態(tài)的創(chuàng)新方法(如圖6 所示),發(fā)現(xiàn)改變某一路徑上的電容會(huì)導(dǎo)致拓?fù)湎嘧?同時(shí)電容器的不同變化路徑會(huì)導(dǎo)致拓?fù)湎嘧凕c(diǎn)的位置不同.第二,將拓?fù)鋬?yōu)化的方法引入到壓電超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中來[106],有望進(jìn)一步拓展壓電超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)版圖與功能版圖.第三,與壓電材料類似,軟介電材料在預(yù)變形后也具有表象的力電耦合性能,使之在滿足現(xiàn)代器件柔順化要求之上,也具備了主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的能力,軟介電超構(gòu)材料及其波動(dòng)控制的研究也因此而成為一個(gè)值得探索的新方向[107-110].如Wu 等[111]設(shè)計(jì)了一種由介電彈性體制成的軟圓柱聲子晶體,發(fā)現(xiàn)電壓和預(yù)拉伸可以分別改變帶隙的寬度和位置.

圖6 A-B-A 壓電桿系統(tǒng)中主動(dòng)可調(diào)拓?fù)鋺B(tài)[105]Fig.6 Active tunable topological state in A-B-A piezoelectric rod system[105]

3.2 第二類壓電超構(gòu)材料研究進(jìn)展

第二類的壓電超構(gòu)材料研究也非常豐富,其早期的脈絡(luò)顯然出自結(jié)構(gòu)控制這一領(lǐng)域[112-113].通常粘貼于主體結(jié)構(gòu)之上的壓電片會(huì)與電路相連接,不同的電路設(shè)計(jì)將導(dǎo)致不同的控制效果,從而帶來了極大的靈活性.Thorp 等[114]首先提出利用壓電分流阻尼(piezoelectric shunt damping)來強(qiáng)化波的衰減特征,其要點(diǎn)是利用分流電路形成局域共振型帶隙.此后,很多學(xué)者將不同的線性或非線性壓電分流電路應(yīng)用于不同的超構(gòu)材料,取得了很多理論進(jìn)展,也有一部分成果得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,顯示出該方法的簡(jiǎn)便性和有效性[115-123].Casadei 等[124]首次提出用壓電片來實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的新穎方法.出于相同的目的,Celli和Gonella[125]在二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)中粘貼壓電片來控制彈性波朝不同的方向傳播.Cardella 等[126]通過在梁上布置壓電片的方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)的“彩虹陷阱”[127].在此工作基礎(chǔ)上,Celli 等[128]通過在二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上布置壓電片來控制不同方向和頻率的彈性波,以實(shí)現(xiàn)傳播路徑的控制.Maurini 等[129]研究了由分布式壓電裝置制成的用于控制梁振動(dòng)的電子減振器.Baz 等[130-137]用壓電薄片周期性地隔開流體腔的方式,在主動(dòng)控制等效密度和剛度的一維聲學(xué)超結(jié)構(gòu)方面做了大量系統(tǒng)性工作.利用壓電超構(gòu)材料在實(shí)現(xiàn)可主動(dòng)控制的負(fù)折射成像[138]、自適應(yīng)GRIN(gradient index)透鏡[139]以及聲學(xué)隱身斗篷[140-142]等方面也取得了諸多進(jìn)展.如Ning 等[143-144]通過在超構(gòu)材料板上粘貼外接負(fù)電容電路的壓電片(如圖7),可有效提升彈性波隱身及黑洞行為、明顯擴(kuò)大隱身及黑洞特性的頻率區(qū)間,使得此類結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)靈活的主動(dòng)控制能力.

圖7 可主動(dòng)調(diào)控彈性波隱身的超構(gòu)材料板[143]Fig.7 Actively tunable cloak of elastic wave in metastructured plate[143]

利用負(fù)電容分流電路是最近得到特別關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn),通過負(fù)電容分流電路可以控制梁[145]、板[146]或?qū)訝盥曌泳w[147-148]等結(jié)構(gòu)中縱波或彎曲波傳播,并主動(dòng)地調(diào)控其帶隙特征.Chen 等[149-150]首次采用負(fù)電容分流電路來調(diào)控如圖8 所示的內(nèi)嵌質(zhì)量晶格(mass-in-mass lattice)聲子晶體,不僅可以獲得負(fù)的等效模量,而且可以有效擴(kuò)大帶隙范圍.Lee 和Balint[151]將負(fù)電容分流電路與簡(jiǎn)單的電阻?電感電路進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)前者在產(chǎn)生寬帶隙方面優(yōu)勢(shì)明顯.Zhou 等[152]利用負(fù)電容分流電路,結(jié)合局域共振單元概念,設(shè)計(jì)了一種特殊的梁結(jié)構(gòu),使負(fù)電容具有增強(qiáng)共振分流效應(yīng)(NCER),產(chǎn)生增強(qiáng)超阻尼現(xiàn)象[153],從而獲得極寬的低頻帶隙,如圖9 所示.Li 等[154]針對(duì)3D 打印的超材料,采用負(fù)電容分流電路控制波的傳播路徑,模擬和實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了其良好的效果.Trainiti 等[155]利用負(fù)電容電路時(shí)間周期性調(diào)控壓電片剛度,從理論和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)彈性波單向?yàn)V波效果.類似的研究還可見于Marconi 等[156]的工作.Li 等[157]在由六邊形晶格構(gòu)成的壓電超材料板上引入負(fù)電容電路,通過主動(dòng)控制產(chǎn)生了原本不具備的拓?fù)涮匦?且呈現(xiàn)了良好的彈性波拓?fù)涿庖咝阅?最近,Hu 等[158]從理論上揭示了負(fù)電容分流電路在導(dǎo)致多帶隙這一點(diǎn)上等價(jià)于一個(gè)耦合彈簧的作用.

圖8 內(nèi)質(zhì)量晶格聲子晶體及其負(fù)電容電路控制[149]Fig.8 The mass-in-mass lattice phononic crystal and its negative capacitance circuit control[149]

圖9 Zhou 等[152]利用負(fù)電容分流電路和局域共振單元獲得的極寬低頻帶隙Fig.9 Zhou et al.[152] used negative capacitance shunt circuit and local resonance unit to obtain extremely wide low frequency band gap

以上工作的重點(diǎn)可分為兩大部分:一部分是設(shè)計(jì)新穎的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊功能器件;另一部分是利用不同的電路達(dá)到不同的控制效果.但壓電材料的正/逆壓電效應(yīng)沒有得到充分的運(yùn)用:即壓電片同時(shí)作為激勵(lì)器和傳感器,通過采集傳感器的信號(hào),反饋給激勵(lì)器,形成閉合回路,實(shí)現(xiàn)更智能的控制效果.這類研究其實(shí)已有長(zhǎng)期的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)[159-166],主要集中在工程應(yīng)用、材料科學(xué)和機(jī)器人等領(lǐng)域,但在壓電超構(gòu)材料中的研究尚且不多.在這方面取得較好進(jìn)展的是與超表面有關(guān)的研究.例如,Chen 等[167]利用壓電片的傳感與激勵(lì)功能設(shè)計(jì)了前饋控制回路,以精確控制散射波/透射波的相位、波幅等重要參量,實(shí)現(xiàn)了多種聲學(xué)功能(如波導(dǎo)、聚焦和隱身).Popa 等[168]基于同樣的原理實(shí)現(xiàn)可調(diào)的彈性波透鏡.最近,Ren 等[169]提出了一種新穎的主動(dòng)彈性超構(gòu)材料板,通過沿板的一個(gè)方向上周期性布置的壓電激勵(lì)器和傳感器實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的帶隙特性.

如上所述,由于外接電路的多樣性和基于常規(guī)彈性材料的主體結(jié)構(gòu)制作的簡(jiǎn)便性,第二類壓電超構(gòu)材料的研究最近得到了較多的關(guān)注.有時(shí),兩類超構(gòu)材料的邊界也不是如此清晰.例如,Degraeve等[170]考察了由同一均勻壓電材料短柱組成的一維聲子晶體桿結(jié)構(gòu),在短柱和短柱之間鑲嵌力學(xué)上可忽略的電極(即不計(jì)其剛度效應(yīng)和質(zhì)量效應(yīng)),從而可以在短柱兩端施加不同的電學(xué)條件或外接不同的電路.Hu 等[171]在壓電矩形柱的一對(duì)表面涂覆電極并外接電路,同樣可以達(dá)到有效控制波傳播路徑的目的.

4 不足與展望

從上述回顧可以看出,壓電超構(gòu)材料因其力電耦合特性和多樣化的外接電路控制方式而在彈性波控制方面具有突出的優(yōu)勢(shì).事實(shí)上,傳統(tǒng)的彈性波激發(fā)、接收及控制多依賴于壓電聲波器件[172].因此,基于壓電材料研發(fā)具有優(yōu)越性能的超構(gòu)材料并進(jìn)而應(yīng)用于彈性波的控制是非常自然的選擇,將為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和原型器件的研發(fā)帶來極大的方便.從研究現(xiàn)狀來看,目前該方向至少存在以下四點(diǎn)不足之處:

(1)具有微結(jié)構(gòu)的非均勻材料的動(dòng)態(tài)均勻化理論一直未有很好的突破,從而使現(xiàn)有的壓電超構(gòu)材料性能的研究大多數(shù)只能依賴于數(shù)值模擬手段[173].

(2) 3D 打印技術(shù)為個(gè)性化、精細(xì)化的微結(jié)構(gòu)制備提供了重要手段[174],但目前結(jié)合壓電超構(gòu)材料的研究尚不多見.

(3)已有壓電材料本身性能還存在不足,有可能成為壓電超構(gòu)材料進(jìn)一步推廣應(yīng)用的障礙.壓電超構(gòu)材料中常用的壓電材料如鋯鈦酸鉛(PZT)壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、靈敏度高,但硬而脆,容易斷裂且有毒性;壓電聚合物(如聚偏二氟乙烯PVDF)雖壓電性好、密度低、楊氏模量低,在柔軟器件上能發(fā)揮作用,但其難以極化和機(jī)電耦合系數(shù)低的缺點(diǎn)也限制了應(yīng)用范圍,等等.

(4)外接電路的靈活性和多樣化使得壓電超構(gòu)材料性能的調(diào)控方式極為方便和豐富,調(diào)控效果也十分突出.從現(xiàn)有的研究來看,一方面受制于現(xiàn)有的外接控制電路的缺陷,以及缺少對(duì)力學(xué)信號(hào)高效采集、處理和反饋的手段,另一方面壓電材料作為傳感(正壓電效應(yīng))和激勵(lì)(逆壓電效應(yīng))的雙重特性并沒有被完全利用起來,因此高效控制的潛力還沒有得到充分挖掘.

針對(duì)以上四點(diǎn)不足,相應(yīng)的展望如下:

(1)隨著微結(jié)構(gòu)形式的逐步拓展(如將機(jī)構(gòu)引入到微結(jié)構(gòu)中;在某種意義上看,不同的外接電路也可以看成是微結(jié)構(gòu)的一種),各種新型超構(gòu)材料不斷出現(xiàn),在時(shí)空兩個(gè)維度都可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的性能變化,從而使相應(yīng)的波動(dòng)現(xiàn)象越來越豐富多彩,其調(diào)控的可能性和需求也隨之增強(qiáng).這種情況下尤其需要建立動(dòng)態(tài)均勻化方法[175],將復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與其頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)有效特性聯(lián)系起來,以快速指導(dǎo)壓電超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)并推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用.簡(jiǎn)言之,均勻化理論將非均勻的復(fù)合材料等價(jià)為一個(gè)均勻介質(zhì),二者在合適的平均意義下具有相同的性能.其中Willis等效介質(zhì)理論[176-177]是一個(gè)可行的方向,該理論是在對(duì)隨機(jī)介質(zhì)進(jìn)行等效分析的基礎(chǔ)上發(fā)展的,且表明物質(zhì)點(diǎn)的有效響應(yīng)在空間和時(shí)間中是非局部的,它預(yù)測(cè)了彈性超構(gòu)材料的有效速度可以引起有效應(yīng)力,而有效應(yīng)變可以引起有效動(dòng)量.Willis等效介質(zhì)理論還在不斷完善中[178-180].對(duì)于壓電超構(gòu)材料,需額外考慮壓電超構(gòu)材料所特有的力電耦合效應(yīng)及更復(fù)雜的波與微結(jié)構(gòu)相互作用.另外,由于在壓電超構(gòu)材料設(shè)計(jì)方面尚缺少體系簡(jiǎn)單且適用性廣的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論,因此在實(shí)驗(yàn)表征方面也存在著根本性的理論缺陷,亟需彌補(bǔ).

(2)采用基于彈性材料的3D 打印獲得特定的微結(jié)構(gòu),再粘貼壓電片進(jìn)行波動(dòng)控制的方式為壓電超構(gòu)材料和智能波動(dòng)器件的制作提供了一條重要途徑[154].但是,壓電片的粘結(jié)與外接電路的連接等尚需手工完成,而且僅限于外表面粘貼,這極大地限制了壓電超構(gòu)材料性能控制與優(yōu)化范圍.另外,第一類壓電超構(gòu)材料的3D 打印研制也只有個(gè)別報(bào)道(見文獻(xiàn)[174],其打印精度在百微米量級(jí)),而直接利用壓電材料構(gòu)筑超構(gòu)材料主體結(jié)構(gòu),有可能帶來更多優(yōu)異/奇異的物理力學(xué)性能[174,181-183].另外,4D 打印[184]技術(shù)的可喜進(jìn)展[185]也給高性能壓電超構(gòu)材料研發(fā)版圖的擴(kuò)展帶來了新的方向.

(3)開發(fā)性能更優(yōu)的壓電材料,為壓電超構(gòu)材料的構(gòu)筑提供更多元的選擇.如壓電陶瓷和聚合物等兩相或多相材料構(gòu)成的壓電復(fù)合材料(如PVDFPZT 復(fù)合材料[186])同時(shí)具備壓電陶瓷與壓電聚合物的優(yōu)點(diǎn):與傳統(tǒng)的壓電陶瓷或壓電單晶相比,它具有更好的柔順性和機(jī)械加工性能,且密度更小、韌性更好;與壓電聚合物相比,其壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)較高,因此靈敏度較高.通過改變不同材料相的占比,還可以在一定程度上調(diào)節(jié)壓電復(fù)合材料的宏觀材料參數(shù).此外,壓電材料與磁致伸縮材料組成的復(fù)合材料還具有磁電效應(yīng),從而可以利用磁場(chǎng)進(jìn)行非接觸式控制.

(4)為了充分利用壓電材料的性能,還需要開發(fā)對(duì)力學(xué)信號(hào)快速且精確處理的設(shè)備;設(shè)計(jì)更優(yōu)異的外接控制電路(穩(wěn)定性好,調(diào)節(jié)精確且范圍大,體積小,能耗低等);在更一般形式的壓電超構(gòu)材料中充分利用壓電材料所固有的正/逆壓電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)反饋控制.將為高性能智能超構(gòu)材料及可調(diào)聲波器件的研制提供更經(jīng)濟(jì)、更優(yōu)化、更多樣、更主動(dòng)的方案選擇.需要指出的是,在壓電超構(gòu)材料中可能存在各種各樣的材料界面[187],可能會(huì)導(dǎo)致常規(guī)數(shù)值方法的失效[188],因此在壓電超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中也要重視高效、穩(wěn)定和精確的數(shù)值計(jì)算方法的研究.

5 結(jié)語

超構(gòu)材料獨(dú)特的力學(xué)性能引起了人們的廣泛關(guān)注,而可調(diào)超構(gòu)材料能夠根據(jù)環(huán)境和需求的變化改變自身特性,從而極大地提升相應(yīng)器件的適用性.采用擁有多場(chǎng)耦合特性的智能超構(gòu)材料能夠拓展可調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間,并豐富調(diào)控手段.

壓電材料具有優(yōu)異的力電耦合效應(yīng),而外接分流電路調(diào)節(jié)方便且設(shè)計(jì)方式多樣,兩者結(jié)合可使相應(yīng)的壓電超構(gòu)材料具有豐富可控的波動(dòng)特性,從而滿足不同的聲波器件功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求.本文在簡(jiǎn)要介紹壓電超構(gòu)材料及常見控制電路的特點(diǎn)后,根據(jù)壓電材料應(yīng)用形式的不同,將壓電超構(gòu)材料分為兩大類,并分別介紹了兩類壓電材料的研究?jī)?nèi)容及特點(diǎn).最后從理論、制備、新型壓電材料開發(fā)和高效控制四個(gè)方面分析了壓電超構(gòu)材料現(xiàn)有研究的不足之處并給出了相應(yīng)的展望.隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,壓電超構(gòu)材料的研究將逐步發(fā)展完善,并最終將在軍用和民用的各個(gè)領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用.