Page 12 - 机械工程材料2024年第十一期
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姜丽云，等：工程领域负刚度超材料的研究进展


                     表1 负刚度超材料的常用基材及其特点                         分布而成，是典型的色散介质，在这类材料的带隙
                Table 1 Common basis materials and characteristics of    内，波无法传播，因此这类材料能够高效地隔断振动
                         negative stiffness metamaterials
                                                                和噪声，弥补传统隔声和吸声材料在性能上的不足。
                  常用材料               优点              缺点                 ［34］
                                                                胥强荣等       设计了一种具有动态磁负刚度的薄膜声
                热塑性聚氨酯       弹性、耐磨性、韧性好，抗冲       硬度和耐高温         学超材料，通过增大磁负刚度来拓宽频带，有效提高
                  （TPU）         击和加工性能良好            性较差
                                                                了其低频隔声效果。SALAR-SHARIF等               ［35］ 为实现
                             强度和刚度高，耐腐蚀性、耐        吸湿性较强，
               聚酰胺12（PA12）
                                油性和耐热性较好           成本较高         可调带隙设计了具有负刚度内含物的超材料。REN
               丙烯腈-苯乙烯-                          耐热性差，打印        等 ［36］ 设计的多功能圆柱夹芯壳超材料，具有周向和
                             强度、刚度和耐用性优异，耐
                丁二烯共聚物                           时可能释放有         径向双向负刚度，与同等尺寸和质量的蜂窝夹芯圆
                                 冲击，易于加工
                  （ABS）                             害气体
                                                                柱壳相比，负刚度夹芯圆柱壳在大于200 Hz频率条
                聚乳酸（PLA）       透明性和光泽度良好         力学性能较弱
                                                                件下具有更好的隔声性能。在声学领域中，利用负
                  韧性树脂       韧性、硬度和强度高，拉伸、
                                                   成本较高         刚度超材料的多稳态性能来调控带隙，可实现声波
                （Tough 30）     弯曲和冲击性能优异
                                                                控制与调节、低频宽频带降噪、声波定向传播以及声
                             质量轻，强度高，耐腐蚀，生       成本高且加工
                   钛合金                                          学隐身等功能，在声学通信、目标探测、军事等领域
                                 物相容性良好             难度大
                                                                具有潜在的应用价值。
                                                 成本高且加工
                  复合材料         强度高，可设计性强
                                                    难度大         2.2 汽 车
                                                                     汽车在行驶时产生的振动和噪声会干扰乘员判
              用于制备镂空、复杂且高精度结构。目前，增材制造
                                                                断路况，降低驾乘舒适性，甚至加速传感器等精密仪
              技术的应用最广泛，其常见的成型工艺见表2。虽然
                                                                器的失效。目前，车身减振降噪主要采用填充聚氨
              该技术具有许多优点，但也面临一些挑战，如：该技
                                                                酯泡沫板、阻尼垫等传统耗能材料的方法。负刚度
              术加工的表面质量与传统工艺相比仍有差距；某些
                                                                超材料的轻质性能可以在保证强度的同时降低结构
              材料在打印过程中会遇到热导率低、凝固过程复杂
                                                                质量，还能降低汽车内部噪声，提高轮胎的吸能性能
              等问题；大型构件的打印还需要解决支撑结构的设
                                                                和路面适应性。张俊栋           ［37］ 在汽车地毯降噪设计中融
              计与移除、打印过程中的变形等难题；受设备规格限
                                                                合了声学超材料，有效控制了低频噪声。然而，负刚
              制，该技术难以实现大规模批量生产。
                                                                度超材料在实际汽车制造中的应用技术尚不成熟，
                    表2 负刚度超材料的常见增材制造成型工艺
                Table 2 Common additive manufacturing processes for   还需解决材料设计与集成、高效制备技术、性能测试
                         negative stiffness metamaterials       技术和成本控制等问题。
                                                                2.3 航空航天
               成型工艺               特点               适用材料
                                                                     我国航空航天事业的快速发展对可服役于复杂
                        操作简单且维护成本低，支持多种
                 熔融                              TPU、ABS、
                        热塑性材料，灵活性好，但精度和                         运行环境中的结构功能一体化材料、轻质高性能结
               沉积建模                                PLA等
                               表面质量一般                                 ［38-39］
                                                                构材料        、智能材料、功能梯度材料的需求急剧增
                                                 各类粉末，如           ［40］
                        适用材料广泛，成品具有较高的精                         加    。负刚度超材料因具有可吸收和存储能量、快
                选择性                             PA、TPU、铝、 不
                        度和机械强度，后处理简单，但设                         速实现大变形和可重复使用等特点在航空航天领域
               烧结技术                             锈钢、钛、氧化铝
                              备和材料成本高                                            ［41］
                                                  和氧化锆等         受到重视。熊继源            等基于力学超材料设计了具有
                        成型快，比选择性烧结技术快近10                        质量轻、响应快和气动性能好等特点的机翼柔性后
                多射流                               PA粉末和
                        倍，可以同时喷射多种材料，精度                                      ［42］
               熔融技术                               TPU粉末         缘。胡建星等         将压扭双螺旋负刚度超材料填充于
                          高，但设备和维护成本较高
                                                                某航天器缓冲装置的圆柱壳内，显著提高了其吸能
                        精度高，表面质量好，但适用材料 环氧丙烯酸树脂、
                立体光                                             性能。目前，尚未有直接证据表明负刚度超材料可
                        种类有限，主要适用光敏树脂，后 聚氨酯丙烯酸酯、
               固化成型法
                            处理复杂，成本较高           聚酯丙烯酸酯等         应用在新型推进系统中，但其独特的物理特性为新
                                                                型推进系统的研发提供了新思路。此外，负刚度超
              2 负刚度超材料的应用领域
                                                                材料还可以与智能传感、控制等技术相结合，根据外
              2.1 声 学                                           部环境和内部状态的变化自动调整其力学特性，进
                  负刚度声学超材料由特殊微结构的单胞按规律                          而调控飞行器的飞行状态。
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