声学超材料

1超材料

1.1概述

超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。

一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。这些基元与显微结构之间存在关联影响。因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。

简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。随着先进制造技术的进步，具有更多样

化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。

1.2超材料类型及研究现状

材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。超材料的人工几何结构设计，其中一个显著特点正是从有条理简单的线性体系上升到非线性系统，如光学超材料基于非线性光学对电磁波进行调控等。

1.2.1光学超材料

光学超材料能够控制电场和磁场，从而可以在正值、负值和接近零值的范围内精确调整介电常数和渗透率。通过对亚波长“人工原子”的精心设计，光学超材料实现了负折射、低于光的衍射极限的光学透镜和隐形效应。电磁波调控可包括数字可编程、光开关、可记忆功能、信息处理器件以及自旋电子器件等。占应用主导的光学超材料，也适用于在不同频段产生响应的超表面柔性基底大变形及其等离子激元器件。

光学超材料在信息技术应用方面以负折射材料最为典型，它可以获得没有衍射极限的完美透镜，因而对任何微细图形进行多次复制，这对微电子技术将产生重要影响。光学超

材料可调控包括太赫兹在内的不同频段电磁波，其应用范围越来越广泛，包括隐身衣、电磁黑洞、雷达幻觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型透镜天线、隐身表面、极化转换器、混合集成电路等军事国防领域。

1.2.2声学超材料

与光学超材料类似，声学超材料是通过人为设计由两种或以上材料构成周期性/非周期性几何结构，其结构单元尺寸远小于波长，该人工结构功能材料可以在长波极限下反演得到相应的有效弹性参数。声学超材料也展现了许多奇异的物理现象和超常规声学效应，如声波低频带隙、声负折射、声聚焦、声隐身、声定向传输等。在非线性领域，非谐振声传输线超材料可呈现双负本构参数，并且不依赖于谐振微单元，具有宽频带和低损耗等优势。结合变换声学和线性坐标变换，可以设计出各向异性的材料参数，以获得声波的隐身效果。这种调节材料有效参数的方法可以应用到其他变换声学的领域，比如设计声波全向吸收体、声全向偶极辐射、声波幻象或者在声波中实现类光的一些新奇效应等。

声学超材料可应用于人工声子带隙材料和吸声材料。人工声子带隙材料可以与仿生学结合，比如人耳识别系统、果蝇定向系统、蝙蝠定位系统等。吸声材料对于音频声学，水下超声的吸声层消声瓦等水声学，实现薄层、低频、宽带的吸声效应。此外，还可用于实现亚波长声学信息处理的超高分辨率声透镜、声学器件集成和声场微尺度调控，在分子医学超声成像、微纳结构无损检测等方面都有很强的应用背景。

1.2.3热学超材料

自然材料的热导系数在空间均匀分布，热量从温度高的一端直线流向温度低的一端。这是人们所熟知的热传导模式。借助于已经成熟的光学超材料对光波的调控机理，基于对宏观热扩散方程的空间变换，热学超材料可以实现热流的“空间压缩”，从而调控热流方向。通过构造不同空间分布的非均匀热输运介质，可实现对热流方向的精确控制，使得热流可以绕过目标物体或者聚焦于目标物体，产生诸如热隐身、热反转、热汇聚以及热伪装等奇特功能。

热学超材料是可感知外部热源并主动响应、人工构造而实现热导系数非均匀分布的功能材料，主要可用于微纳米结构的热电转换，如控制热流和利用热能，以及利用声子进行信息传输和处理。其中热二极管、热三极管、热逻辑门、热存储器等概念，奠定了声子学的理论基础。为此，热能超材料将会在很多领域有巨大的潜在用途，如建筑节能材料、太阳热能利用、新一代低能耗绿色微/纳米电子器件、隔热保护、热辐射伪装、废热回收和应用、控制热量定向辐射可制成航空器(卫星)蒙皮等。此外可以同时控制信息和热能耗散，这将是未来低能耗绿色电子器件的发展方向。

1.2.4力学超材料

力学超材料是基于多孔、手性/反手性、五模式等复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料。利用3D打印技术可以制造个性化多样化的不同几何结构材料，图3显示的是正负泊松比可编译调节在-12到12之间的负泊松比拉胀材料。其呈现的高压痕抵抗性、抗剪切性、能量吸收性和断裂韧性，可有效地应用于形状记忆和生物假体等组织工程和生物医疗。这些新型的静态弹性力学超材料将在复合材料工业应用、拉胀滤网、拉胀纤维、