[發明專利]多頻段寬帶隙的大孔隙率聲子功能材料結構及其制作方法

無效

• 申請號: 201410010299.9
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103730108A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 汪越勝;王艷鋒;劉曉峰;張傳增
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G10K11/165
• 分類號: G10K11/165
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 陳朝陽

技術領域

本發明屬于聲學，涉及了機械、凝聚態物理、力學和材料學等領域。尤其是涉及一種具有多頻段寬帶隙的大孔隙率聲子功能材料結構以及制作方法。

背景技術

聲子晶體，作為一種人工周期功能材料，其研究引起了國內外學者的廣泛關注。聲子晶體獨特的功能是可能會產生聲子帶隙，即頻率在帶隙范圍內的彈性波的傳播將被被抑制。帶隙的產生機理通常有兩種方式，一種是由結構的周期作用占主導，另外一種是由單個散射體的Mie散射占主導。聲子晶體的帶隙特性，使其在隔音、降噪和減震，以及新型聲學設備的制作方面具有廣闊的應用前景。因此，聲子晶體已成為力學、聲學、材料學、物理學等領域共同關注的研究熱點。

調制帶隙對聲子晶體的廣泛實際應用具有重要意義。影響帶隙的參數主要有兩種，材料參數和結構參數。由板、梁、桿等微元件按照一定規則周期排列構成的空間桁架結構或格柵結構等輕質微結構材料，其帶隙特性主要由結構參數所決定。因為制作簡單而備受關注。該類材料通常孔隙率較大，孔隙結構作為有用的結構存在。孔隙的尺寸、數量和分布是影響多孔材料性能的主要因素，而這些特征可以通過制備工藝來調整控制。相對連續介質材料而言,多孔材料一般具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優點,因而在航空、航天、機械、建筑等諸多領域具有廣泛的應用前景。

與聲子晶體類似，大孔隙率聲子功能材料(多孔材料)中傳播的彈性波在一定的頻率范圍內必然呈現帶隙特征。大量科技工作者對多孔聲子晶體進行了研究，但主要集中在小孔隙率情況，對大孔隙率聲子晶體的研究較少，且未發現完全帶隙。

針對現有技術存在的上述不足，提出本發明。

發明內容

為了克服現有結構難以產生完全帶隙的不足，本發明的目的在于提供一種具有多頻段寬帶隙的大孔隙率聲子功能材料結構。該結構孔隙率較大，因而結構輕；該結構能產生多頻段完全帶隙，其帶隙較寬；通過調節結構的幾何參數可以調整帶隙的寬度和位置，進而滿足不同的聲學特性要求。

為實現上述發明目的，本發明提供的技術方案是：一種多頻段寬帶隙的大孔隙率聲子功能材料結構，所述功能材料結構的孔隙率大于50%，是由旋轉對稱單元周期排列而成；其中，旋轉對稱單元包括四條具有彎折角度的臂共端點形成，兩個相鄰彎折點的距離在坐標軸上的投影大于或等于晶格常數的1/10。四條臂的彎折角相同，在80°和150°之間。

本發明還提供了多頻段寬帶隙的大孔隙率聲子功能材料結構的制作方法，所述結構各處壁厚相同，包括以下步驟：

步驟1），根據結構的孔隙率及各處壁厚相同的要求，確定旋轉對稱單元的彎折角，彎折角度在80°和150°之間；兩個相鄰彎折點的距離在坐標軸上的投影大于或等于晶格常數的1/10；

步驟2），根據步驟1）中的幾何參數，確定結構中孔的截面幾何參數；

步驟3），在基體材料上周期鉆出具有步驟2）中所確定截面幾何參數的孔，孔與孔中心的距離為晶格常數，形成大孔隙率聲子功能材料結構。

本發明另外提供了結構各處壁厚不相同的多頻段寬帶隙的大孔隙率聲子功能材料結構的制作方法，由周期排列的十字形孔組成；包括以下步驟：

步驟1），根據結構的孔隙率，確定十字形孔的長度、寬度；十字形孔的長度大于晶格常數；

步驟2），確定十字形孔的旋轉角度，使得兩個相鄰十字孔的連線與其最近的十字孔的角點的距離大于或等于晶格常數的1/10；

步驟3），在基體材料上周期鉆出十字形孔，孔與孔中心的距離為晶格常數，形成大孔隙率聲子功能材料結構。

本發明的有益效果是：本發明提出的聲子功能材料結構具有較大的孔隙率；通過引入旋轉對稱單元，可以在多個頻率段產生完全帶隙；通過調節旋轉對稱單元的結構形狀和幾何尺寸可以調整帶隙的寬度和位置，進而滿足不同的聲學特性要求；結構中包含周期排列的旋轉對稱單元，加工簡單。

附圖說明

當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發明以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定，其中：

圖1a、圖1b是兩種不同制作類型的大孔隙率聲子功能材料結構；

圖2a、圖2b是兩種大孔隙率聲子功能材料結構對應的旋轉對稱單元截面圖；

圖3是第一個實施例的能帶結構圖(圖1a的大孔隙率聲子晶體功能材料結構,且各處壁厚相同)；