超构材料材科-1202

南京工业大学材料科学与工程学院新能源材料(论文)题目超构材料研究与发展学生姓名学号11101202专业材科122015年6月新能源材料课程（论文）I基于弹性力学的超构材料摘要近年来以微结构为基本构造单元的人工超构材料,由于具有自然材料所不具备的可设计的奇异物性,在材料学、声学、光学、电磁学以及信息能源等领域具有巨大的发展潜力。超构材料的研究脱胎于电磁超构材料,但是近年来在声学、热学、静电、静磁学以及弹性力学领域取得了飞跃的发展,大大拓展了超构材料的研究领域。借助Milton图重点阐述了基于弹性力学的新型超构材料的超常特性及其主要类别:例如具有负的质量密度和负弹性模量的声学超构材料,具有负泊松比的拉胀超构材料,具有剪切模量G=0的反胀超构材料,以及高强度的超轻材料等新奇的人工超构材料。不仅如此,还结合变换力学着重描述了声波和弹性波在这类弹性力学超构材料中的传播特性,以及详细阐述了负弹性参数超构材料界面的声表面波的特征及其物理效应。最后结合弹性力学超构材料在我国的研究现状,对利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵弹性波和声波的传播以及开发设计新型弹性力学超构材料等问题作了总结与展望,希望推进此类材料在诸多研究领域的应用关键词:弹性力学声子晶体超构材料拉胀材料变换力学新能源材料（论文）1MetamaterialbasedonelasticmechanicsInrecentyears,artificialmetamaterialsbaseonmicrostructuresareshowinghugedevelopmentpotentialinfieldsofmaterialsscience,acoustics,seismologyandinformationtechnologies,duetotheirdevisablephysicalsingularitieswhichdonotexistinnaturalmaterials。Thestudyofmetamaterialwasbornoutofelectromagneticmetamaterial。Nowadays,metamaterialshaveachievedabigleapforwardwithdevelopmentsinthefieldsofacoustic,thermal,static,staticmagneticandelasticmechanics,whichgreatlyexpandtheirstudyfields。WiththehelpofaMiltongraph,wefocusontheextraordinarycharacteristicsofnovelelasticmechanics-basedmetamaterialsandtheirspecies,suchasacousticmetamaterialswithnegativemassdensityandelasticmodulus,auxeticmetamaterialswithnegativePoisson'sratio,inversebulgingmetamaterialswithshearmodulusG=0andultra-lightmaterialswithhighstrength。Inaddition,combiningwiththetransformmechanical,thispaperfocusesonthepropagationcharacteristicsofacousticandelasticwavesinthiselasticmechanicsmetamaterialandthenelaboratedthecharacteristicsandphysicaleffectsofsurfaceacousticwavesintheinterfaceofmetamaterialswithnegativeelasticityparameters。Finally,wemakeasummaryandprospectofthedevelopmentofmetamaterialscombiningwiththeelasticmechanicsmetamaterialresearchconditioninChina,suchasmetamaterialandacousticmetamaterialoperatingacousticandelasticwavepropagationusingtheelasticmechanics,designanddevelopmentofanewtypeofelasticmechanicsmetamaterial。Wehopethiswillhelptoacceleratetheapplicationofthismetamaterialinmanyresearchfields。Elasticmechanics,phononiccrystals,metamaterial,auxeticmaterials,transformmechanics超构材料的研究2目录摘要..................................................................................................................................................IMetamaterialbasedonelasticmechanics.........................................................................................11引言.............................................................................................................................................32流体声波超构材料的奇异特性.................................................................................................43弹性力学超构材料的奇异特性.................................................................................................63.1拉胀超构材料............................................................................................................73.2反胀超构材料............................................................................................................83.3超轻材料....................................................................................................................84弹性力学超构材料中波的传播特性.......................................................................................114.1声波在流体声子晶体中的传输特性.....................................................................114.2负弹性参数超构材料界面的声表面波.................................................................124.3弹性波在超构材料中的传播特性.........................................................................135变换声学和变换弹性力学.......................................................................................................156弹性力学超构材料在中国的研究现状...................................................................................157总结与展望...............................................................................................................................167.1利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵声波和弹性波传播.................167.2开发设计新型的弹性力学超构材料.....................................................................17参考文献.........................................................................................................................................18Metamaterialbasedonelasticmechanics.........................................................错误!未定义书签。31引言超构材料即以微结构为基本构造单元的人工材料,具有很多自然材料不具备的可设计超常物性。超构材料的基本物性取决于其微结构单元的特性(如形状因子与手性、共振与激发)以及微结构单元在空间的分布(如间距、耦合、对称性)。光子晶体[1]、电磁超构材料和变换光学等新材料与新方法可以用于调控光波和电磁波的激发、传播与耦合特性。由于弹性波类似电磁波都能用经典的波动方程描述,其物理原理及数学方法上的相似性直接导致了声超构材料、变换声学等概念的出现。近年来声子晶体作为体弹模量或质量密度等弹性参数可周期性调制的一类人工复合材料,可像光子晶体调控光波一样调控弹性波的激发、传输与耦合,进而调控整个材料宏观的力学、声学特性[2]。研究者不仅能改变声子晶体中的人工点阵(或叫“超晶格”),还能人为地设计每个格点位置上的“人工原子”。于是声子晶体的概念进一步拓展到了声学超构材料。在这类材料中,单体共振源于单个“人工原子”,它能与源自晶格对称性的布拉格共振协同产生很奇异的力学和声学特性。目前一些研究人员认为声学超构材料是有着超常规声学效应的、尺寸远小于波长的结构单元构成的人工复合结构材料,其可在长波极限下反演得到相应的有效弹性参数。但是另一些学者认为声学超构材料这一概念应当拓展到包含声子晶体在内的所有具有奇异性能的人工复合结构材料[3]。声学超构材料可展现出许多奇异的物理现象和效应,如声波的低频带隙[4]、负折射[5]、隐身[6]等。所谓基于弹性力学的超构材料泛指具有超常规力学性能的一类人工复合材料,该类材料的弹性力学性能不仅受限于其微结构组分,还强烈依赖于它的结构。因此基于弹性力学的超构材料包含声学超构材料,它能展示出均匀材料不具备的奇异弹性力学性能:如负密度、负弹性模量、各向超构材