[发明专利]一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料

说明书

本发明公开了一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，包括表层、分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、分离层、表层。表层是均匀的固体覆盖板；分离层与表层和谐振层相邻，由正方体和长方体相间组成方格；谐振层由多个同心阿基米德螺旋线组成的螺旋孔洞排列在薄板上形成局部谐振单元，第一谐振层与第二谐振层的谐振频率不同；连接层连接第一谐振层与第二谐振层，由正方体和长方体相间组成方格。本发明能够根据具体空间的大小和形状需求，快速构建可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，根据需求实现不同程度的减振隔热，操作方便易于实现，工程实用性强。

技术领域

本发明涉及超材料设计领域。具体而言，尤其涉及一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料。

背景技术

高超声速飞行器的尾喷管是高超飞行器一体化的重要部分，是体现气动/推进系统耦合的重要部件，同时，也是重要的气动型面，其性能好坏影响整个飞行器的飞行品质。超燃冲压发动机喷气噪声包括混合喷气噪声及激波宽频噪声，声压级可达到150～160dB，喷流噪声会引起排气道环形声衬开裂、声振疲劳破坏等，因此，如何降低尾喷管的振动与噪声至关重要。对于高超声速飞行器，速度可达5马赫数以上，伴随着高热流的产生，高温环境使得材料的结构性能大大降低。超燃冲压发动机的射流在尾喷管处可产生高达10⁶W/m²的高热流，温度甚至可达3000K以上，高温环境使得材料的结构性能大大降低，这对飞行器的材料和结构性能产生非常大的影响。因此，如何实现尾喷管处的热控至关重要。

机械超材料是人工超构材料研究领域的新兴分支，由传统材料制成，可实现新奇的超常规机械/力学特性。研究表明，由周期性分布的具有特殊微结构的单胞所组成的超材料，是一种典型的色散介质，其能带图上无本征波色散曲线的频率范围称为带隙，带隙内的弹性波或声波无法在介质中传播，从而可用于高效的振动和噪声隔断。通过调节人工周期结构的几何/材料参数，可以实现调控带隙位置、宽度及其对波传播的抑制能力。

目前，应用于振动控制方面的声学超材料专利很多，但其减振降噪的谐振频段往往与材料密度或模量，以及使用温度范围有很大的相关性，一般无法应用于高温环境。然而，高超声速飞行器尾喷管的物理场十分复杂，由于轻量化和安装空间的限制，往往需要超材料既能够减振降噪，又能够同时隔热，同时尺寸又不能太大，并且轻质。

综合分析发现，在有限空间实现减振隔热一体化方面，现有的声学超材料在高温环境其减振降噪特性受到很大影响，另外高温环境对结构的安全与性能也存在很大的威胁。因此，可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料设计尤为重要。另外，随着增材制造技术的发展，可以实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料的制造。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，通过将均匀材料加工成特定厚度层进行堆叠，堆叠顺序按照表层、分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、分离层、表层依次排列，获得可实现减振隔热一体化，并且适合大规模制造和尺寸灵活可调的双谐振分层超材料。为保证减振隔热过程中结构的稳定性和有效性，本发明的各层经过了谨慎设计以获得具有符合一体化要求拓扑构型；

本发明采用的技术手段如下：

一种可实现减振隔热一体化的双谐振分层超材料，包括第一表层、第一分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、第二分离层、第二表层。为了实现减振和隔热效应，各组层具有其特定的材料特性、厚度和单胞的设计/拓扑构型。

所述的第一表层、第一分离层、第一谐振层、连接层、第二谐振层、第二分离层、第二表层依次相连。

所述的第一表层与第二表层是均匀的固体覆盖板，采用耐高温材料，用于支撑各组层的堆叠和对结构的保护。

所述的第一分离层、第二分离层由多个正方体和长方体相间组成方格。

所述的第一谐振层、第二谐振层由多个同心阿基米德螺旋线组成的螺旋孔洞排列在薄板上形成局部谐振单元；