北京理工大学张凯课题组开发数字化超材料 | Advanced Materials 论文推荐

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近日，北京理工大学宇航学院力学系胡更开教授波动力学课题组的张凯讲师及其硕士生王子巍和博士生张泉，利用材料基因和比特的概念，设计并制造了一种可调节的数字化超材料，实现了超材料的数字化以及对弹性波传播的控制。

该研究的相关论文 Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency（DOI: 10.1002/adma.201604009）已发表于国际材料科学顶级期刊 Advanced Materials（IF:18.960）。

团队简介
张凯，北京理工大学宇航学院力学系，曾获得教育部学术新人奖、全国百篇博士论文提名奖、北京大学优秀博士论文等学术荣誉，在 PNAS，Advanced Materials，Carbon，Soft Matter, Journal of the Royal Society Interface，Scientific Reports，Applied Physics Letters，Acta Biomaterialia 等杂志发表多篇论文。团队目前主攻研究方向为增材制造的关键技术及应用，重点研究可用于打印技术的形状记忆材料、数字超材料、可编程材料等新型智能材料开发，实现4D打印、振动控制、波动抑制、能量收集、环境保护等功能。
波动力学实验室网站：www.micromechanics.cn

超材料是一类具有自然材料所不具备特质的人工复合材料，可应用于高效雷达制备、隐身结构设计、无损检测、振动隔离和抗震保护等重要工程领域。传统超材料只在特定的频率范围内有效，极大地限制了其应用范围。为了突破传统超材料的局限，课题组设计了一种全新模块化的可调数字超材料，通过 3D 打印技术制备含局部共振单元的基体，并在单胞内布置两个电磁铁作为局域共振体和控制调节器。类比于计算机中的0和1比特的切换，通过外部电路独立控制电磁铁通断电状态，可控制单胞禁带的开闭（图1a）。同时，通过调控0状态与1状态的单胞个数及分布，可对禁带的位置以及宽度进行精准调节（图2a）。通过切换单胞0和1状态，该数字超材料可实现任意形状的波导，即对波的传播路径进行调节（图2b），具有传统的超材料无法实现的多自由度调节的能力。

图1： a) 电磁铁控制单胞内部局域共振体吸附和分离，进而控制禁带开闭，实现0和1状态切换； b) 结合计算机技术的0和1概念，实现数字超材料。

图2： a) 通过调节超胞中0和1单胞的数量及分布情况，实现了禁带宽度的精准调节；b) 通过切换单胞状态，可实现任意形状波导。

该数字超材料可作为超表面附着于柔性均质材料表面，实现对均质材料中波传播的有效控制。另一方面，结合压电俘能技术，可将波动引起的结构变形能转换为电能，并通过该电能调控边界单胞的开闭，实现波的转移以及对材料内部环境的保护。这种具有自感知、自供电、自执行的智能化自主隔振数字超材料可被用于大型机械设备中，实现对精密电子部件的保护。

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论文基本信息

【题目】Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency

【作者】Ziwei Wang,Quan Zhang,Kai Zhang,Gengkai Hu

【期刊】Advanced Materials

【日期】2016.9.22

【DOI】10.1002/adma.201604009

【摘要】A 3D-printed digital metamaterial embedded with electromagnets is fabricated. Switching electromagnets between the attaching (1 bit) and detaching (0 bit) modes activates different waveguides in the metamaterial. The underlying mechanism is investigated theoretically and experimentally. The hierarchical assemblies of unit cells, mimicking digital bits, allow programmable broadening of the bandgap of the metamaterial.

【链接】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604009/full

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