壓電超構材料及其波動控制研究:現狀與展望1)

袁 毅 游鎮宇 陳偉球

(浙江省軟體機器人與智能器件研究重點實驗室,浙江大學工程力學系,杭州 310007)

引言

超構材料或超材料(metamaterials)是將精心設計的基本單元通過一定的空間排列來實現普通材料所不具有的奇異或反常性能,如帶隙、波導、負折射、負模量、負密度、超透鏡、聲學聚焦、聲學隱身和拓撲態等[1-2],已成為一個多學科交叉的前沿研究領域.過去幾十多年來陸續出現的左手材料[3]、光子晶體[4]、聲子晶體[5]、時間晶體[6]甚至超表面[7]等都可以歸類于超構材料.超構材料在通信、醫學、國防軍事、航天航空、遙感等諸多領域都有十分廣闊的應用前景.中國、美國、歐盟、日本和俄羅斯等主要國家和組織都設立了相應的創新研究計劃來推動超構材料的基礎研究與應用研發[8]:例如美國F-22 戰斗機己成功應用具有隱身功能的超構材料天線罩;歐盟組織了數十位著名學者對超構材料開展聯合攻關研究;日本政府將超構材料技術視作下一代隱形戰斗機的核心關鍵技術,并撥付巨額資金予以重點研究;俄羅斯研發了超構材料干擾機天線罩,并已裝備在現代級導彈驅逐艦“激烈號”上.我國也把發展超構材料研發納入了國家戰略,如在“十三五”規劃綱要中強調要“大力發展超材料等納米功能材料”.事實上,我國于2019年6月4日已正式頒布國家標準《機載超材料天線罩通用規范》(GB/T 37657—2019),2020年1月1日起正式實施,這表明超構材料在我國已穩步走向實際應用.目前超構材料的商業化進程還處于初級階段,但據美國n-tech Research (https://www.ntechresearch.com/)發布的報告,預計在2025年超構材料的市場規模即可達41 億美元,發展空間很大.需要強調的是,常規新材料的研發也是各國重點部署的任務,只是更著眼于常規性能(如強度、韌性、硬度、力電耦合系數等)的提升.

彈性波超構材料(elastic wave metamaterials),如聲子晶體,主要調控聲波或彈性波在介質中的傳播.彈性波是一種矢量波,在各向同性波導中,縱波和橫波往往相互作用和糾纏,使其波動現象遠比電磁波和聲波復雜,理論分析較為困難,因此其研究也更具挑戰性[9].歷史上,周期結構的研究最早可以追溯到1883年——Floquet 研究了波在一維周期結構中的傳播問題.Bloch 在1928年又將Floquet 的結論推廣到三維結構中,得到了著名的Bloch 定理.1946年,Brillouin 在其著作《Wave Propagation in Periodic Structures》中詳細地研究了周期彈簧?質量系統的振動特性[10].直到1993年,Kushwaha 等[5]研究二維復合材料時,根據這類周期結構的聲學與振動特征,首先提出了聲子晶體的概念.早期研究的聲子晶體所形成的禁帶大多是由Bragg 散射機制引起的.Liu 等[11]在2000年研究橡膠、鉛和環氧樹脂構成的三維晶體,揭示了新的禁帶產生機理,即局域共振機理.該機理允許“小尺寸控制大波長”,更滿足實際應用需求,為超構材料的研究打開了新的疆域.值得指出的是,基于局域共振機理的超構材料對微結構周期性的要求并不嚴格,但本文聚焦于具有周期性的彈性波超構材料.

超構材料一般是選擇已有材料,通過設計新的微結構來實現優越而奇異的性能,在材料選擇時有一定的規律可以遵循:高/低模量一般對應高/低工作頻率;不同組分相之間阻抗差異大一般對應更寬帶隙;為了進行主動調控,一般會選擇壓電材料、形狀記憶合金、磁流變液等智能材料,等等.

總之,超構材料利用人工結構的精心構筑實現超常性能,為高性能功能材料的研發確立了嶄新模式,為超常規器件的研制提供了理論指導,既有重要的科學價值,也有巨大的應用前景.雖然從左手材料的概念提出至今,超構材料的研究歷史已將近一甲子,但事實上只在最近20年左右其研究才真正得到了蓬勃發展,被評為21 世紀前10年10 項重大突破之一[12].特別是最近十余年來,隨著“拓撲”概念與超構材料的深入結合,由量子力學所預測的獨特現象在宏觀材料體系上得到證實,進一步增強了人們對超構材料的研究熱情[13].

1 可調彈性波超構材料

1.1 彈性波超構材料的可調性

彈性波超構材料的可調性能使其更好地適應環境變化,拓寬工作頻率范圍,克服被動式超構材料單頻或窄頻工作的嚴重缺點[14].可調超構材料的研究始于Goffaux 和Vigneron[15]的研究,他們于2001年針對流固系聲子晶體提出將非軸對稱的固體散射體轉動一定的角度以改變禁帶寬度.除了通過旋轉散射體調控超構材料力學特性外[16-18],施加外界載荷改變結構的剛度或形狀也是一種有效方法[19-23],如Bertoldi 等[24-25]通過壓縮具有負泊松比的多孔軟材料結構以達到拓寬禁帶的目的.

1.2 壓電材料在可調彈性波超構材料中的應用

在眾多智能材料中,壓電材料毫無疑問是研究最充分、技術最成熟、應用最廣泛的智能材料.無論是厚重堅硬的壓電陶瓷或合金、還是輕質柔軟的聚合物,無論是導體還是半導體,無論體積大小,無論低頻還是高頻,都能找到壓電材料的蹤影或應用.常見的壓電材料可分為壓電晶體(如石英晶體)、壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛PZT)以及壓電聚合物(如聚偏氟乙烯PVDF)三大類,三類壓電材料各有優缺點,在不同領域都有獨特的應用價值.壓電材料最顯著的特點是存在力電耦合效應[40]:在機械荷載的作用下會出現表面電荷并在體內形成電場(正壓電效應),也可以在電場作用下產生變形(逆壓電效應).這一力電耦合特性賦予了壓電材料在電能和機械能之間進行轉換的能力,從而在換能器、傳感器和激勵器等應用中大顯身手.與其他智能材料相比,壓電材料具有響應速度快、控制精度高、體積小、市場大、價格便宜等突出優點.

圖1 展示的是壓電聲子晶體和壓電超材料的研究文獻數量隨年份變化趨勢以及學科分布情況(數據來源于2021年05月的Scopus 數據庫,檢索方式為:標題、摘要和關鍵詞中檢索“piezoelectric”,且全文檢索“phononic”或“metamaterial”或“phononic 和metamaterial”).

圖1 壓電聲子晶體和壓電超材料(a)研究文獻數量趨勢及(b)學科分布情況Fig.1 (a) Trends in the number of research documents and(b) discipline distribution on piezoelectric phononic crystals and piezoelectric metamaterials

2 壓電分流電路

壓電材料優異的力電耦合效應使得利用不同的外接電路改變壓電材料力學性能進而調控超構材料各方面特性成為可能.設計電路最關鍵的問題在于尋找簡單且有效的方式來控制結構的振動,而理想的控制電路具有穩定性、低能耗以及針對系統參數變化的魯棒性.

已有不少文章詳細地分析對比了常見的幾種壓電分流電路[41-42],其電路圖以及特點分別匯總于圖2 和表1.當外接電路中僅有電阻元器件時,稱為電阻分流電路[43-44],壓電材料的機械振動轉化為電路中的電能,部分能量以熱能的形式耗散.若同時串聯或并聯地接入電阻和電感,則形成諧振單模分流電路[44-47],如果電路的諧振與機械系統的諧振相等,則電路將處于諧振狀態,并且將產生相當大的控制力來抵抗機械系統的振動;對應地,諧振多模分流電路[48-50]則可以調控更多頻段的機械振動.

圖2 常見壓電分流電路圖匯總[42]Fig.2 Summary of common piezoelectric shunt circuit diagrams[42]

通過圖2(d) 左圖中的電路能夠實現負電容(negative capacitance,NC)[51].負電容能夠抵消壓電換能器中固有的電容,從而使得在電阻中的能量耗散最大化.利用負電容分流電路[52-58]調控是最近得到特別關注的一個研究熱點.通過與壓電片的連接,負電容分流電路一方面可以有效改變壓電材料的等效剛度[59-60],另一方面可以在很大范圍內連續改變系統的阻尼,產生很好的阻尼效應[61-63],從而使其在結構振動控制中突顯出一定的優越性.需要注意的是,環境以及需求的變化可能會導致結構共振頻率發生巨大改變,同時溫度也會引起控制電路中電容發生改變,影響分流電路的調節性能,而自適應分流電路[64-65]能夠克服該困難.同步開關阻尼分流電路[66-71]是一種半主動控制方法,根據結構振動頻率周期性地打開或關閉開關,等效于提供一個非線性的沖擊載荷,這種分流電路不需要對被控結構進行精確的系統辨識,振動控制效果較好并且穩定性高,外界環境的改變對控制系統影響較低,最主要的是控制系統簡單,僅需要較少的電子元器件即可實現[72].

3 壓電彈性波超構材料研究進展

到目前為止,壓電超構材料可按壓電材料的使用方式分成兩種不同的類型(如圖3 所示,其中橙色為壓電材料,藍色為其他材料,黑色代表質量塊):第一類是將壓電材料作為超構材料的主體材料(包含作為多組元聲子晶體中的一種材料相);第二類是制成壓電彈簧或以壓電片的形式粘貼在彈性主體結構的表面或內嵌在主體結構中作為傳感器或/和激勵器.接下來將介紹兩類壓電超構材料的研究內容與研究進展.

圖3 兩類壓電超構材料示意圖Fig.3 Schematic diagrams of two categories of piezoelectric metamaterials

3.1 第一類壓電超構材料研究進展

Wilm 等[73]于2002年首先考察了壓電復合材料聲子晶體中波的傳播,但他們將側重點放在了平面波展開法的應用和推廣上,并未探討壓電材料對力學特性的調控作用.次年,他們又研究了嵌入石英棒的環氧樹脂結構[74],給出了面外波的能帶結構,并指出使用該復合材料作彈性波導的建議.Hou 等[75]研究了由壓電陶瓷和聚合物組成的彈性復合材料,通過比較具有和不具有壓電效應的彈性帶結構,發現當壓電材料填充比例較小或僅考慮低頻區域時,壓電效應可以忽略;壓電相填充率(或體分比)較大時,壓電效應可增大全帶隙寬度.Laude 等[76]和Wu 等[77]分別考察了不同構型的壓電聲子晶體半空間,討論了表面波模態的存在條件和力電耦合的影響.Hsu 和Wu[78]則分析了Bleustein?Gulyaev?Shimizu 表面波的傳播特性.此后,壓電聲子晶體的研究得到了更多的研究者的關注,研究興趣穩步上升.

最后，航海保障部門是IMO e航海戰略在國內的主要研究單位，同時也是國內對接IMO、IALA、IHO等國際組織涉及e航海，MS相關議題的主要負責機構，具有國際交流合作和動態跟蹤的優勢。這對于未來全球e航海服務的互聯互通是十分重要的。

早期大多數的研究都是將力電耦合效應納入到分析模型中,考察其對不同結構的壓電聲子晶體中不同模態波(體波、表面波、板波等)傳播的影響,并以此為據設計可調彈性波器件.有學者在該領域中作了大量工作,比如受預應力的周期壓電桿結構[79]、二維周期分層壓電復合結構[80-81]失諧時面內波(或瑞利波[82])的傳播和局域化行為;壓電材料對二維[83-84]、三維[85]超構材料以及不同形狀的夾雜[86]對聲子晶體帶隙的調節作用(如圖4 所示).Zou 等[87]發現二維壓電聲子晶體的第一階帶隙與填充率和極化方向等因素有關;此外,通過不同的外接電路可以主動控制壓電超構材料的帶隙特征[88],如Wang 等[89]通過LC 外接電路精確且面向目標地控制低頻Lamb 波的帶隙.Ponge 等[90]用壓電聲子晶體設計了可調的Fabry?Perot 諧振器.Hou 與Assouar[91]則設計了具有負彈性模量的壓電超構材料來調節帶隙.Lian 等[92]提出了一種改進的平面波展開法,用于計算外接分流電路的壓電聲子晶體的帶隙特征.在具有力電耦合效應的壓電超構材料中,還可以進一步引入壓磁材料,實現電能、機械能、磁能的相互轉換,通過力?電?磁多場耦合效應優化超構材料的帶隙[83,93-94]或隱身[95]等特性.

圖4 夾雜形狀對二維壓電聲子晶體帶隙的影響[86]Fig.4 The influence of inclusion shape on the band gap of two-dimensional piezoelectric phononic crystals[86]

運用壓電材料除了能設計帶隙可調的智能超構材料,還能探究波的局域化[96]、單向傳輸[97-98]和波導[99]等特性.如Lan 和Wei[96]分析了壓電效應和弱界面對層狀壓電聲子晶體帶隙的影響規律,發現弱界面會降低帶隙頻率,并產生波的局域化行為.Zheng 等[97]則介紹了一種使用非線性壓電元結構操縱單向彈性波傳輸的新穎方法,并從實驗上研究了超傳輸現象,如圖5 所示.Oh 等[99]設計的一個由PZT-5A 壓電桿周期排布在硅膠基體中形成的壓電聲子晶體波導,通過在壓電桿上施加不同的電學條件,即可形成所需要的彈性波傳播路徑.

圖5 非線性壓電超結構帶隙調控與超傳輸[97]Fig.5 Band gap regulation and super transmission of nonlinear piezoelectric metastructure[97]

當前第一類壓電超構材料研究有若干方向值得關注.第一,將共振單元等一些特殊的微結構或相關的概念(包括拓撲聲學)引進來,推動了壓電超構材料微結構?波動性能?聲學器件的一體化設計與多功能化實現[100-105].如Zhou 等[105]提出了一種在A-BA 串聯結構的壓電桿系統中生成主動可調拓撲保護界面態的創新方法(如圖6 所示),發現改變某一路徑上的電容會導致拓撲相變,同時電容器的不同變化路徑會導致拓撲相變點的位置不同.第二,將拓撲優化的方法引入到壓電超構材料的設計中來[106],有望進一步拓展壓電超構材料的設計版圖與功能版圖.第三,與壓電材料類似,軟介電材料在預變形后也具有表象的力電耦合性能,使之在滿足現代器件柔順化要求之上,也具備了主動適應環境的能力,軟介電超構材料及其波動控制的研究也因此而成為一個值得探索的新方向[107-110].如Wu 等[111]設計了一種由介電彈性體制成的軟圓柱聲子晶體,發現電壓和預拉伸可以分別改變帶隙的寬度和位置.

圖6 A-B-A 壓電桿系統中主動可調拓撲態[105]Fig.6 Active tunable topological state in A-B-A piezoelectric rod system[105]

3.2 第二類壓電超構材料研究進展

第二類的壓電超構材料研究也非常豐富,其早期的脈絡顯然出自結構控制這一領域[112-113].通常粘貼于主體結構之上的壓電片會與電路相連接,不同的電路設計將導致不同的控制效果,從而帶來了極大的靈活性.Thorp 等[114]首先提出利用壓電分流阻尼(piezoelectric shunt damping)來強化波的衰減特征,其要點是利用分流電路形成局域共振型帶隙.此后,很多學者將不同的線性或非線性壓電分流電路應用于不同的超構材料,取得了很多理論進展,也有一部分成果得到了實驗的驗證,顯示出該方法的簡便性和有效性[115-123].Casadei 等[124]首次提出用壓電片來實現波導的新穎方法.出于相同的目的,Celli和Gonella[125]在二維蜂窩狀結構中粘貼壓電片來控制彈性波朝不同的方向傳播.Cardella 等[126]通過在梁上布置壓電片的方式實現可調的“彩虹陷阱”[127].在此工作基礎上,Celli 等[128]通過在二維網狀結構上布置壓電片來控制不同方向和頻率的彈性波,以實現傳播路徑的控制.Maurini 等[129]研究了由分布式壓電裝置制成的用于控制梁振動的電子減振器.Baz 等[130-137]用壓電薄片周期性地隔開流體腔的方式,在主動控制等效密度和剛度的一維聲學超結構方面做了大量系統性工作.利用壓電超構材料在實現可主動控制的負折射成像[138]、自適應GRIN(gradient index)透鏡[139]以及聲學隱身斗篷[140-142]等方面也取得了諸多進展.如Ning 等[143-144]通過在超構材料板上粘貼外接負電容電路的壓電片(如圖7),可有效提升彈性波隱身及黑洞行為、明顯擴大隱身及黑洞特性的頻率區間,使得此類結構呈現靈活的主動控制能力.

圖7 可主動調控彈性波隱身的超構材料板[143]Fig.7 Actively tunable cloak of elastic wave in metastructured plate[143]

利用負電容分流電路是最近得到特別關注的一個研究熱點,通過負電容分流電路可以控制梁[145]、板[146]或層狀聲子晶體[147-148]等結構中縱波或彎曲波傳播,并主動地調控其帶隙特征.Chen 等[149-150]首次采用負電容分流電路來調控如圖8 所示的內嵌質量晶格(mass-in-mass lattice)聲子晶體,不僅可以獲得負的等效模量,而且可以有效擴大帶隙范圍.Lee 和Balint[151]將負電容分流電路與簡單的電阻?電感電路進行了比較,發現前者在產生寬帶隙方面優勢明顯.Zhou 等[152]利用負電容分流電路,結合局域共振單元概念,設計了一種特殊的梁結構,使負電容具有增強共振分流效應(NCER),產生增強超阻尼現象[153],從而獲得極寬的低頻帶隙,如圖9 所示.Li 等[154]針對3D 打印的超材料,采用負電容分流電路控制波的傳播路徑,模擬和實驗都驗證了其良好的效果.Trainiti 等[155]利用負電容電路時間周期性調控壓電片剛度,從理論和實驗上實現彈性波單向濾波效果.類似的研究還可見于Marconi 等[156]的工作.Li 等[157]在由六邊形晶格構成的壓電超材料板上引入負電容電路,通過主動控制產生了原本不具備的拓撲特性,且呈現了良好的彈性波拓撲免疫性能.最近,Hu 等[158]從理論上揭示了負電容分流電路在導致多帶隙這一點上等價于一個耦合彈簧的作用.

圖8 內質量晶格聲子晶體及其負電容電路控制[149]Fig.8 The mass-in-mass lattice phononic crystal and its negative capacitance circuit control[149]

圖9 Zhou 等[152]利用負電容分流電路和局域共振單元獲得的極寬低頻帶隙Fig.9 Zhou et al.[152] used negative capacitance shunt circuit and local resonance unit to obtain extremely wide low frequency band gap

以上工作的重點可分為兩大部分:一部分是設計新穎的結構實現特殊功能器件;另一部分是利用不同的電路達到不同的控制效果.但壓電材料的正/逆壓電效應沒有得到充分的運用:即壓電片同時作為激勵器和傳感器,通過采集傳感器的信號,反饋給激勵器,形成閉合回路,實現更智能的控制效果.這類研究其實已有長期的理論與實踐基礎[159-166],主要集中在工程應用、材料科學和機器人等領域,但在壓電超構材料中的研究尚且不多.在這方面取得較好進展的是與超表面有關的研究.例如,Chen 等[167]利用壓電片的傳感與激勵功能設計了前饋控制回路,以精確控制散射波/透射波的相位、波幅等重要參量,實現了多種聲學功能(如波導、聚焦和隱身).Popa 等[168]基于同樣的原理實現可調的彈性波透鏡.最近,Ren 等[169]提出了一種新穎的主動彈性超構材料板,通過沿板的一個方向上周期性布置的壓電激勵器和傳感器實現可調節的帶隙特性.

如上所述,由于外接電路的多樣性和基于常規彈性材料的主體結構制作的簡便性,第二類壓電超構材料的研究最近得到了較多的關注.有時,兩類超構材料的邊界也不是如此清晰.例如,Degraeve等[170]考察了由同一均勻壓電材料短柱組成的一維聲子晶體桿結構,在短柱和短柱之間鑲嵌力學上可忽略的電極(即不計其剛度效應和質量效應),從而可以在短柱兩端施加不同的電學條件或外接不同的電路.Hu 等[171]在壓電矩形柱的一對表面涂覆電極并外接電路,同樣可以達到有效控制波傳播路徑的目的.

4 不足與展望

從上述回顧可以看出,壓電超構材料因其力電耦合特性和多樣化的外接電路控制方式而在彈性波控制方面具有突出的優勢.事實上,傳統的彈性波激發、接收及控制多依賴于壓電聲波器件[172].因此,基于壓電材料研發具有優越性能的超構材料并進而應用于彈性波的控制是非常自然的選擇,將為實驗驗證和原型器件的研發帶來極大的方便.從研究現狀來看,目前該方向至少存在以下四點不足之處:

(1)具有微結構的非均勻材料的動態均勻化理論一直未有很好的突破,從而使現有的壓電超構材料性能的研究大多數只能依賴于數值模擬手段[173].

(2) 3D 打印技術為個性化、精細化的微結構制備提供了重要手段[174],但目前結合壓電超構材料的研究尚不多見.

(3)已有壓電材料本身性能還存在不足,有可能成為壓電超構材料進一步推廣應用的障礙.壓電超構材料中常用的壓電材料如鋯鈦酸鉛(PZT)壓電性強、介電常數高、靈敏度高,但硬而脆,容易斷裂且有毒性;壓電聚合物(如聚偏二氟乙烯PVDF)雖壓電性好、密度低、楊氏模量低,在柔軟器件上能發揮作用,但其難以極化和機電耦合系數低的缺點也限制了應用范圍,等等.

(4)外接電路的靈活性和多樣化使得壓電超構材料性能的調控方式極為方便和豐富,調控效果也十分突出.從現有的研究來看,一方面受制于現有的外接控制電路的缺陷,以及缺少對力學信號高效采集、處理和反饋的手段,另一方面壓電材料作為傳感(正壓電效應)和激勵(逆壓電效應)的雙重特性并沒有被完全利用起來,因此高效控制的潛力還沒有得到充分挖掘.

針對以上四點不足,相應的展望如下:

(1)隨著微結構形式的逐步拓展(如將機構引入到微結構中;在某種意義上看,不同的外接電路也可以看成是微結構的一種),各種新型超構材料不斷出現,在時空兩個維度都可以實現復雜的性能變化,從而使相應的波動現象越來越豐富多彩,其調控的可能性和需求也隨之增強.這種情況下尤其需要建立動態均勻化方法[175],將復合材料的微觀結構與其頻率相關的動態有效特性聯系起來,以快速指導壓電超構材料的設計并推動實際應用.簡言之,均勻化理論將非均勻的復合材料等價為一個均勻介質,二者在合適的平均意義下具有相同的性能.其中Willis等效介質理論[176-177]是一個可行的方向,該理論是在對隨機介質進行等效分析的基礎上發展的,且表明物質點的有效響應在空間和時間中是非局部的,它預測了彈性超構材料的有效速度可以引起有效應力,而有效應變可以引起有效動量.Willis等效介質理論還在不斷完善中[178-180].對于壓電超構材料,需額外考慮壓電超構材料所特有的力電耦合效應及更復雜的波與微結構相互作用.另外,由于在壓電超構材料設計方面尚缺少體系簡單且適用性廣的連續介質力學理論,因此在實驗表征方面也存在著根本性的理論缺陷,亟需彌補.

(2)采用基于彈性材料的3D 打印獲得特定的微結構,再粘貼壓電片進行波動控制的方式為壓電超構材料和智能波動器件的制作提供了一條重要途徑[154].但是,壓電片的粘結與外接電路的連接等尚需手工完成,而且僅限于外表面粘貼,這極大地限制了壓電超構材料性能控制與優化范圍.另外,第一類壓電超構材料的3D 打印研制也只有個別報道(見文獻[174],其打印精度在百微米量級),而直接利用壓電材料構筑超構材料主體結構,有可能帶來更多優異/奇異的物理力學性能[174,181-183].另外,4D 打印[184]技術的可喜進展[185]也給高性能壓電超構材料研發版圖的擴展帶來了新的方向.

(3)開發性能更優的壓電材料,為壓電超構材料的構筑提供更多元的選擇.如壓電陶瓷和聚合物等兩相或多相材料構成的壓電復合材料(如PVDFPZT 復合材料[186])同時具備壓電陶瓷與壓電聚合物的優點:與傳統的壓電陶瓷或壓電單晶相比,它具有更好的柔順性和機械加工性能,且密度更小、韌性更好;與壓電聚合物相比,其壓電常數和機電耦合系數較高,因此靈敏度較高.通過改變不同材料相的占比,還可以在一定程度上調節壓電復合材料的宏觀材料參數.此外,壓電材料與磁致伸縮材料組成的復合材料還具有磁電效應,從而可以利用磁場進行非接觸式控制.

(4)為了充分利用壓電材料的性能,還需要開發對力學信號快速且精確處理的設備;設計更優異的外接控制電路(穩定性好,調節精確且范圍大,體積小,能耗低等);在更一般形式的壓電超構材料中充分利用壓電材料所固有的正/逆壓電效應,實現反饋控制.將為高性能智能超構材料及可調聲波器件的研制提供更經濟、更優化、更多樣、更主動的方案選擇.需要指出的是,在壓電超構材料中可能存在各種各樣的材料界面[187],可能會導致常規數值方法的失效[188],因此在壓電超構材料的設計中也要重視高效、穩定和精確的數值計算方法的研究.

5 結語

超構材料獨特的力學性能引起了人們的廣泛關注,而可調超構材料能夠根據環境和需求的變化改變自身特性,從而極大地提升相應器件的適用性.采用擁有多場耦合特性的智能超構材料能夠拓展可調結構的設計空間,并豐富調控手段.

壓電材料具有優異的力電耦合效應,而外接分流電路調節方便且設計方式多樣,兩者結合可使相應的壓電超構材料具有豐富可控的波動特性,從而滿足不同的聲波器件功能設計與應用需求.本文在簡要介紹壓電超構材料及常見控制電路的特點后,根據壓電材料應用形式的不同,將壓電超構材料分為兩大類,并分別介紹了兩類壓電材料的研究內容及特點.最后從理論、制備、新型壓電材料開發和高效控制四個方面分析了壓電超構材料現有研究的不足之處并給出了相應的展望.隨著現代科技的發展,壓電超構材料的研究將逐步發展完善,并最終將在軍用和民用的各個領域得到普遍的應用.