一种声学超材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种声学超材料及其制备方法 (Acoustic metamaterial and preparation method thereof ) 是由 张金虎 张天烨 张闯 张宇 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种声学超材料及其制备方法,包括基体及微纳米颗粒；所述微纳米颗粒均匀分散在所述基体中。其制备方法包括以下步骤：S1,将硅橡胶与稀释剂混合均匀形成胶体；S2,向胶体中微纳米颗粒,搅拌均匀,超声分散得到复合溶液；S3,复合溶液经真空除泡后,转移至模具中,在55-65℃下恒温加热40-50min后取出冷却至室温,即得到所述声学超材料。该声学超材料的声学性能和力学性能连续可调。(The invention provides an acoustic metamaterial and a preparation method thereof, wherein the acoustic metamaterial comprises a substrate and micro-nano particles; the micro-nano particles are uniformly dispersed in the matrix. The preparation method comprises the following steps: s1, uniformly mixing the silicon rubber and the diluent to form a colloid; s2, uniformly stirring micro-nano particles in the colloid, and performing ultrasonic dispersion to obtain a composite solution; and S3, removing bubbles of the composite solution in vacuum, transferring the composite solution into a mold, heating at the constant temperature of 55-65 ℃ for 40-50min, taking out, and cooling to room temperature to obtain the acoustic metamaterial. The acoustic metamaterial has continuously adjustable acoustic performance and mechanical performance.)
技术领域
本发明涉及一种声学超材料及其制备方法，属于超材料的制备技术领域。
背景技术
声学作为物理学科的一个重要分支，主要研究波的产生、传输、接收及其效应。声学在国家重大需求中起着不可或缺，甚至不可替代的作用，从国防领域到民用领域，例如水下声学、海洋探测、超声医疗诊断治疗、噪声控制等，声学的应用无处不在。然而，传统的声学材料难以实现精准、高效的声波操控，限制了声学的应用。近年来，声学超材料(metamaterials)的出现赋予了声学学科一个全新的生命，极大地促进了声学材料的发展与进步。相较于传统的声学材料，声学超材料由于其具备传统材料所不具备的超常物理性质，使得多种新颖的声学现象和功能得以实现，如声学负折射、声隐身、声学亚波长成像、声学全息、声学完美吸收等等，呈现出巨大的发展潜力，成为了现代声学领域中一个非常前沿的课题。
但是，现有的声学超材料绝大多数是通过3D打印或者插柱子的方法来实现不同的等效介质参数，而这种材料往往是刚性的，无法做到结构连续可调，导致声学人工器件功能单一；且这种材料的晶格常数一般在毫米量级以上，而声学超材料通常要求声波的波长远大于晶格常数，即长波近似，所以晶格常数的量级限制了高频声波的操控性能，无法做到高频范围内的宽带效果。
发明内容
本发明提供了一种声学超材料及其制备方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种声学超材料，包括基体及微纳米颗粒；所述微纳米颗粒均匀分散在所述基体中。
作为进一步改进的，所述基体包括硅橡胶及稀释剂。
作为进一步改进的，所述微纳米颗粒为钨粉或钛粉。
作为进一步改进的，所述硅橡胶与稀释剂的质量比为2∶0-3。
作为进一步改进的，所述基体与所述微纳米颗粒的质量比为1∶0.1-4。
作为进一步改进的，所述微纳米颗粒的粒径为50nm-5μm。
一种上述的声学超材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，将硅橡胶与稀释剂混合均匀形成胶体；
S2，向胶体中微纳米颗粒，搅拌均匀，超声分散得到复合溶液；
S3，复合溶液经真空除泡后，转移至模具中，在55-65℃下恒温加热40-50min后取出冷却至室温，即得到所述声学超材料。
作为进一步改进的，硅橡胶与稀释剂的质量比为2∶0-3。
作为进一步改进的，所述基体与所述微纳米颗粒的质量比为1∶0.1-4。
作为进一步改进的，所述微纳米颗粒的粒径为50nm-5μm。
本发明的有益效果是：
本发明的声学超材料的基体材料中通过微纳米颗粒的添加并均匀分散，声波折射率可以较大范围地且连续地调控，力学性能可以较大范围地且连续地调控。
本发明的声学超材料以微纳米颗粒作为散射体，晶格常数在微米、纳米量级，对于高频声波也具有优秀的操纵效果，频带范围非常大。
本发明的声学超材料具有较高的形变能力，可以通过外力作用，例如拉伸、旋转等，实现人工超材料的空间连续可调，丰富同一人工器件的声学功能。
本发明的声学超材料的制备工艺简单，操作方便，成本低；同时可以根据需求，使用不同的模具，制备出具有不同初始形态的复合材料，适用场景丰富。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的声学超材料SEM图(钨粉的质量分数为60％)。
图2是本发明实施例1提供的声学超材料的密度理论与测量结果图。
图3是本发明实施例1提供的声学超材料的声速理论与测量结果图。
图4是本发明实施例1提供的声学超材料的声阻抗理论与测量结果图。
图5是本发明实施例2提供的声学超材料的应力应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供一种声学超材料，包括基体及微纳米颗粒；所述微纳米颗粒均匀分散在所述基体中。
所述基体包括硅橡胶及稀释剂。所述硅橡胶可以为市面上常见的硅橡胶，比如硅橡胶Ecoflex 00-30。所述稀释剂为Silicon Thinner稀释剂。
所述微纳米颗粒选自钨粉、钛粉等，但不限于此。
所述硅橡胶与稀释剂的质量比为2：0-3。所述基体与所述微纳米颗粒的质量比为1∶0.1-4。微纳米颗粒的种类、质量分数是影响该材料的力学性能(杨氏模量等)和声学性能(折射率、声阻抗等)的主要参数，稀释剂Silicon Thinner的含量可以改变该复合材料的力学性能，同时影响成胶能力，稀释剂Silicon Thinner的含量越高，微纳米颗粒的加入数量极限越低。
所述微纳米颗粒的粒径为50nm-5μm。
本实施例还提供一种上述的声学超材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，将硅橡胶与稀释剂混合均匀形成胶体。
S2，向胶体中微纳米颗粒，搅拌均匀，超声分散得到复合溶液；此搅拌可以为机械搅拌，使得各组分初步分散；此超声分散使得各组分进一步均匀分散，同时实现初步除泡。
S3，复合溶液经真空除泡后，转移至模具中，在55-65℃下恒温加热40-50min后取出冷却至室温，即得到所述声学超材料。此真空除泡对复合溶液进行充分除泡，提供声学超材料的性能。
作为进一步改进的，硅橡胶与稀释剂的质量比为2∶0-3。
作为进一步改进的，所述基体与所述微纳米颗粒的质量比为1∶0.1-4。
作为进一步改进的，所述微纳米颗粒的粒径为50nm-5μm。
实施例1
1)将Ecoflex 00-30的Part A、Part B和Silicon Thinner按重量以1∶1∶1的比例混合在一起；
2)称取1-5μm的钨粉，按照0％、10％、25％、40％、60％的质量分数混合如步骤1的胶体中；
3)通过机械搅拌的方式，使得各组分初步均匀分散；
4)将样品放置在超声波清洗器中，超声振荡若干分钟，使得各组分进一步均匀分散(通过SEM图像可以看出去分散较为均匀)，同时初步地除泡；
5)再将样品放置在真空箱中进行充分地除泡；
6)倒入模具，置入60℃的恒温箱中加入45分钟后取出，即为所述声学超材料。
实施例2
Ecoflex 00-30的Part A、Part B和Silicon Thinner按重量以1∶1∶0，钨粉按照0％、40％、50％、60％的质量分数添加，其他操作同实施例1。
测试上述得到的声学超材料的力学和声学性能，测试方法分别如下：
声学性能测试：
1)采用插入取代法，测定声学超材料的声速，具体方法如下，将两个同样的收发合置浸入式换能器正对放置在水箱，距离大约在2-3cm，信号发生器通道1直连示波器通道1，通道2连接发射换能器，接收换能器连接示波器通道2，信号发生器的两通道均发射burst信号，设置波形为正弦，周期数为5，幅度10V，示波器触发源设置为通道1。在空场环境下，记录示波器波形，再将样品放置在两个换能器中间，记录示波器波形。
2)声速计算方法按照式(1)进行处理：
其中d为样品的厚度(通过游标卡尺或者测厚仪获得)，cw为水的声速(这里设置为1483m/s)，Δt为两个波形偏移时间差。
3)测试结果如附图3所示。
力学性能测试：
1)采用Instron(microtester5948)微小力拉伸仪，以单轴拉伸方式对样品进行测试，拉伸测试样品截面为哑铃形，厚度为2mm，夹具间距离用游标卡尺进行测量，拉伸速率设置为10mm/min。
2)数据处理：应力和应变根据下面公式计算：
其中σ为应力，F为拉力，S为样品截面积，ε为应变，ΔL为样品长度变化量，L为夹具间距离(原长)。
3)测试结果如附图5。
基于多重散射理论(MST)的方法来分析声速测量结果，其基本思想是计算分散在基体(硅橡胶)中的散射体(微纳米颗粒)的随机分布的有效纵波波数kL，其表达式如下：
其中ρeff＝Φρ1+(1-Φ)ρ0
其中Φ是体积分数，ρ1为微纳米颗粒的密度，ρ0为基体(硅橡胶)的密度，K1为微纳米颗粒的体积模量，K0为基体(硅橡胶)的体积模量，G1为微纳米颗粒的剪切模量，G0为基体(硅橡胶)的剪切模量。理论曲线如附图2、3、4。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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