Nature：一種基于脈沖激光的技術

微尺度下的機械超材料由于其特殊的構建單元而表現出奇特的靜態(tài)特性，但其動態(tài)特性的研究仍然較少。它們的設計原則可以針對高應變率變形下的頻率相關特性和彈性，使其成為適用于輕質抗沖擊、聲波導或振動阻尼應用的多功能材料。然而，由于低通量和破壞性的表征或缺乏測試方法，獲取小尺度下的動態(tài)特性仍然是一個挑戰(zhàn)。

基于此，麻省理工學院Carlos M. Portela、Thomas Pezeril等人演示了一種高通量、非接觸式框架，該框架使用超材料內的MHz波傳播特征來非破壞性地提取動態(tài)線性特性、全向彈性信息、阻尼特性和缺陷量化。使用微觀超材料的棒狀鑲嵌結構，作者報告了在應變率接近102 ?s?1時高達 94% 的方向依賴和速率依賴的動態(tài)剛度，以及比其組成材料高出三倍阻尼特性。

作者還表明，振動響應中的頻移可以表征超材料內的不可見缺陷，選擇性探測可以構建實驗彈性表面，而這在以前只能通過計算來實現。該工作為加速數據驅動的材料和微器件的發(fā)現提供了一種途徑，可用于動態(tài)應用，如保護結構、醫(yī)學超聲或隔振。

激光誘導彈性波

作者設計了一種基于脈沖激光的技術，利用材料樣品表面彈性波的光聲激發(fā)實現了微尺度超材料的高通量、無損表征。使用雙光子光刻系統(tǒng)以細長的縱橫比用IP-Dip光刻膠制造了聚合物微晶格，該系統(tǒng)接近激發(fā)時棒狀一維波傳播的極限，促進了超材料機械性能的提取。為了測量扭轉模式，實施了橫向泵浦-連續(xù)波探針方案，通過對整體和超材料幾何形狀進行數值特征頻率分析，進一步確認了模態(tài)分類，這為縱向、彎曲和扭轉模式提供了定性和定量的一致性。

圖1 超材料中彈性波的非接觸激光誘導激發(fā)和探測

高通量動態(tài)機械表征

接著，作者確定了超材料的動態(tài)機械特性。作者使用長波長極限內的測量，根據實驗色散關系計算出每種波類型的群速度，然后使用縱向群速度來計算每個樣本的有效剛度。為了量化對樣品響應的動態(tài)影響，使用位移控制納米壓痕儀對與通過LIRAS測試的樣品相同的樣品進行了準靜態(tài)單軸壓縮實驗。比較通過這兩種技術獲得的有效剛度，顯示了所有樣品的動態(tài)剛化效果。

超材料的應變率高達102?s?1，證實了LIRAS測量中觀察到的速率依賴性響應。此外，結構和各向異性可以在很寬的超聲波頻率范圍內調節(jié)阻尼特性。兩種超材料在順應方向和彎曲主導的結構中表現出比剛性和拉伸主導的響應更高的阻尼能力。

圖2 超材料的LIRAS動態(tài)測量

圖3 超材料的動態(tài)彈性和阻尼特性

全向彈性特性

作者利用LIRAS技術的功能為動態(tài)條件下的超材料提供完全實驗性的彈性張量提取。作者通過三種計算方法，共同預測超材料內的預期各向異性和波傳播特性，對LIRAS得出的與測量頻率和表觀各向異性有關的特性進行了初步驗證。在確認波傳播響應和沿特定方向產生的動態(tài)剛度后，作者結合了從LIRAS測量中提取的所有屬性，為超材料生成了實驗動態(tài)彈性表面。實驗動態(tài)彈性表面保留了超材料的定性各向異性，[111]和[100]分別保持為八面體和十四面體中最硬的方向，并表現出動態(tài)剛度。

圖4 波傳播驗證和全向彈性特性

無損缺陷識別

作者使用LIRAS通過測量微觀樣品中波傳播響應的變化來提供高通量缺陷識別。作者設計并制造了5×5×10八位元超材料，每個垂直鑲嵌層具有不同程度的立方固體夾雜物。將夾雜物尺寸與大約10 μm八位組晶胞的尺寸相匹配，制造了每層0到4個缺陷的樣品，并測量了它們在激發(fā)時的主要共振模式。實驗結果表明當每層缺陷數量增加時，諧振頻率也增加。缺陷探索表明，共振頻移提供了足夠的分辨率來確定缺陷密度。

圖5 振動缺陷識別

審核編輯：劉清