Механический метаматериал

Механические метаматериалы-это искусственные структуры, механические свойства которых определяются их структурой, а не составом. Их можно рассматривать как аналог довольно известного семейства оптических метаматериалов. Их часто также называют эластодинамическими метаматериалами и включают акустические метаматериалы как частный случай исчезающего сдвига. Их механические свойства могут быть сконструированы таким образом, чтобы иметь значения, которые не могут быть найдены в природе.]

Примеры механических метаматериалов

Акустические / фононные метаматериалы

Акустические или фононные метаматериалы могут проявлять акустические свойства, не встречающиеся в природе, такие как отрицательный эффективный объемный модуль, отрицательная эффективная массовая плотность, или двойная негативность. они находят применение в (в основном все еще чисто научных) приложениях, таких как акустическая субволновая визуализация, суперлинзирование, отрицательная рефракция или трансформационная акустика.

Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (ауксетики)

Коэффициент Пуассона определяет, как материал расширяется (или сжимается) поперечно при продольном сжатии. В то время как большинство природных материалов имеют положительный коэффициент Пуассона (совпадающий с нашей интуитивной идеей, что при сжатии материала он должен расширяться в ортогональном направлении), семейство экстремальных материалов, известных как ауксетические материалы, может демонстрировать коэффициент Пуассона ниже нуля. Примеры этого можно найти в природе или сфабриковать, и часто состоят из микроструктуры малого объема, которая придает объемному материалу экстремальные свойства. Простые конструкции композитов, обладающих отрицательным коэффициентом Пуассона (перевернутая гексагональная ячейка периодичности), были опубликованы в 1985 году. Кроме того, некоторые складки оригами, такие как складка Миура и, как правило, зигзагообразные складки, также известны отрицательным коэффициентом Пуассона.

Метаматериалы с отрицательными продольными и объемными переходами сжимаемости

В замкнутой термодинамической системе, находящейся в равновесии, как продольная, так и объемная сжимаемость обязательно неотрицательны из-за ограничений устойчивости. По этой причине при растяжении обычные материалы расширяются вдоль направления приложенной силы. Однако было показано, что метаматериалы могут быть сконструированы так, чтобы демонстрировать отрицательные переходы сжимаемости, во время которых материал подвергается сжатию при растяжении (или расширению при давлении). при воздействии изотропных напряжений эти метаматериалы также демонстрируют отрицательные переходы объемной сжимаемости. в этом классе метаматериалов отрицательный отклик происходит вдоль направления приложенной силы, что отличает эти материалы от тех, которые проявляют отрицательный поперечный отклик (например, при исследовании отрицательного коэффициента Пуассона).

Пентамодовые метаматериалы или мета-жидкости

Сэм-изображение пентамодового метаматериала (размером примерно 300 мкм)

Пентамодовый метаматериал-это искусственная трехмерная структура, которая, несмотря на то, что она твердая, в идеале ведет себя как жидкость. Таким образом, он имеет конечный объем , но исчезающий модуль сдвига, или, другими словами, его трудно сжимать, но легко деформировать. Говоря более математически, пентамодовые метаматериалы имеют тензор упругости только с одним ненулевым собственным значением и пятью (Пента) исчезающими собственными значениями.

Пентамодовые структуры были теоретически предложены Грэмом Милтоном и Андреем Черкаевым в 1995 году , но не были изготовлены до начала 2012 года. согласно теории, пентамодовые метаматериалы могут быть использованы в качестве строительных блоков для материалов с совершенно произвольными упругими свойствами. анизотропные варианты пентамодовых структур являются кандидатами на трансформационную эластодинамику и эластодинамическую маскировку.

Коссера и Микрополярные метаматериалы

Очень часто упругость Коши оказывается достаточной для описания эффективного поведения механических метаматериалов. Когда элементарные ячейки типичных метаматериалов не являются центросимметричными, было показано, что требуется эффективное описание с использованием хиральной микрополярной упругости (или Коссера [). Микрополярная упругость сочетает в себе связь поступательной и вращательной степеней свободы в статическом случае и показывает эквивалентное поведение оптической активности.

Материалы Уиллиса

В 2006 году Милтон, Бриан и Уиллис показали, что правильной инвариантной формой линейной эластодинамики является локальная система уравнений, первоначально предложенная Уиллисом в конце 1970-х и начале 1980-х годов для описания эластодинамики неоднородных материалов. Это включает в себя явно необычную (для упругих материалов) связь между напряжением, деформацией и скоростью, а также между импульсом, деформацией и скоростью. Инвариантность уравнений Навье может иметь место в рамках теории преобразований, но потребует материалов с несимметричными напряжениями, поэтому интерес к материалам Коссера отмечен выше. Эта теория получила дальнейшее обоснование в работе Норриса и Шувалова.

Гиперупругая маскировка и инвариантность

Другим механизмом достижения несимметричных напряжений является использование предварительно напряженных гиперупругих материалов и теории "малого на большом", то есть распространения упругих волн через предварительно напряженные нелинейные среды. Две работы, написанные в Трудах Королевского общества а в 2012 году, установили этот принцип так называемой гиперупругой маскировки и инвариантности и с тех пор использовались различными способами в связи с маскировкой упругих волн и фононными средами.

==См.также