1 超材料概述
1.1 超材料的定义与特性
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。其独特之处在于突破了传统材料设计思想，通过设计材料物理尺度上的有序结构来获得等效的表观性能。这些性能往往远超传统材料，例如左手特性、逆Doppler效应、逆Snell效应等。超材料的出现为材料科学领域带来了全新的研究方向，其逆向设计思路使得材料性能可以“按需定制”，从而满足不同应用场景的需求。例如，在电磁波吸收和声波调控中，超材料已经实现了对特定频率波的高效控制。此外，在光学领域，超材料被用于制造高性能透镜和超分辨率成像设备，极大地提升了成像质量。
1.2 超材料的发展历程
超材料的概念自提出以来，经历了多个重要的发展阶段。早期研究主要集中在理论探索与基础实验，随后逐步取得了一系列具有里程碑意义的成果。例如，左手材料和光子晶体等超材料的研究成果先后被美国《科学》杂志选为年度十大重大进展之一。这些成果不仅推动了超材料技术的快速发展，也引发了全球范围内对这一前沿领域的研究热潮。随着研究的深入，超材料逐渐展现出在多个领域的广泛应用潜力，如在隐身技术、高效能量转换设备中的应用。近年来，超材料在医疗器械领域的应用也日益增多，例如用于制造更灵敏的生物传感器和精准的医疗设备。
2 超材料结构设计原理与方法
2.1 局域共振型结构设计
局域共振型超材料的结构设计基于特定微结构单元在特定频率下的共振机制，通过精心设计的微结构单元与外部机械波相互作用，实现对机械振动的有效控制。这种设计方法的核心在于利用微结构单元的局域共振特性，在特定频段内形成带隙，从而抑制弹性波的传播。例如，交错矩形孔四边形单元和十字矩形孔四边形单元等打孔弹性超结构，通过调整元胞的几何参数实现了对带隙的调控，展现了良好的低频和宽带减振性能。多胞局域共振型超材料的研究也表明，通过合理设计轻质周期性局域共振构型，可以在15~45 Hz的低频区间内显著降低振动传递率，达到30 dB以上的减振效果。这种方法在航空航天、轨道交通等对低频振动控制要求较高的领域具有广泛应用前景。例如，局域共振型超材料已被应用于高速列车的减震系统，显著提升了乘客的舒适度。此外，在航空航天领域，局域共振型超材料被用于飞机舱壁的减振设计，有效降低了机舱内的噪音和振动水平。
2.2 布拉格散射型结构设计
布拉格散射型超材料的设计依据布拉格散射原理，通过周期结构对机械波的散射作用形成带隙，从而实现对机械振动的控制。当周期结构的晶格常数与入射波的波长相匹配时，会发生强烈的散射效应，导致特定频段的机械波无法传播。合理选择周期结构的几何参数和材料属性是实现所需带隙特性的关键。例如，在梁板类结构中，通过附加或嵌入具有负泊松比、准零刚度等特性的微结构单元，可以有效拓宽带隙范围，提高振动调控能力。布拉格散射型超材料在建筑结构抗震、精密仪器隔振等领域展现出良好的应用潜力，特别是在需要宽频带振动控制的场景中表现突出。例如，在地震高发的日本，布拉格散射型超材料被用于建筑基础隔震，显著提高了建筑的抗震性能。此外，在精密仪器领域，布拉格散射型超材料被用于光学仪器的隔振平台，保证了仪器的高精度运作。
3 超材料在机械振动控制中的应用场景
3.1 精密仪器隔振
超材料因其独特的带隙特性，在精密仪器隔振领域展现出显著优势。通过设计局域共振型或布拉格散射型超材料结构，能够有效抑制外界振动对仪器的影响。例如，局域共振型超材料通过在特定频率下激发微结构单元的共振，可形成低频带隙，从而屏蔽外界振动干扰。根据相关研究，超材料在精密仪器中的应用能够使振动抑制效率提高20%至30%。相较于传统隔振材料，超材料不仅具备更宽的隔振频段，还能实现更高的隔振效率，显著提升精密仪器的测量精度与稳定性。例如，某高端显微镜制造商采用超材料技术后，图像清晰度大幅提高。
3.2 航空航天设备减振
航空航天设备在运行过程中面临复杂的振动环境，这对设备的可靠性提出了严峻挑战。超材料因其轻质、高强度的特点，成为航空航天设备减振的理想选择。研究表明，多胞局域共振型超材料在15~45 Hz的带隙频率区间内可使振动传递率降低30 dB以上，展现出良好的减振效果。例如，美国宇航局在某些航天器上使用了类似技术，显著提升了设备的运行稳定性。这种超材料通过周期性排列的微结构单元，能够有效吸收和隔离特定频率范围内的振动，从而保障航空航天设备在复杂环境下的正常运行。实际应用中，某型号卫星采用了该技术，运行精度提高了15%。
3.3 建筑结构抗震
超材料在建筑结构抗震中的应用主要基于其对地震波传播的控制能力。地震超材料通过引入人工设计的微结构，能够实现对地震波较宽频段的禁带，从而改变建筑结构的动力特性。例如，分形几何结构因具有自相似性和跨尺度特性，被应用于地震超材料的设计中，简化了复杂结构设计的同时提升了材料的抗震性能。在2019年的一项实验中，采用这种超材料的建筑模型在模拟地震中的振动幅度降低了约40%。这种超材料结构能够有效抑制地震波在建筑结构中的传播，显著提高建筑的抗震能力，为土木工程领域提供了新的解决方案。实际应用中，某地震高发区的一栋办公大楼采用了类似技术，地震中的损坏率大幅降低。
4 超材料应用于机械振动控制面临的挑战与策略
4.1 制备成本与大规模生产难题
超材料的结构设计通常涉及复杂的微纳加工工艺，这不仅增加了制备成本，还限制了大规模生产的可行性。例如，多功能集成型超材料需要精确控制多个组分的空间分布与相互作用，这对其制造工艺提出了极高的要求。以声学超材料为例，其在声波调控方面的卓越性能依赖于精细的结构设计，然而，高精度的制造需求增加了生产成本。此外，某些高性能超材料依赖于昂贵的原材料或复杂的后处理步骤，进一步推高了整体成本。例如，某些超材料需要采用贵金属纳米颗粒作为关键成分，这无疑提升了制造成本。为了解决这一问题，研究人员正在探索低成本替代材料与简化工艺流程的方法。例如，通过优化设计参数以减少对高精度加工设备的依赖，或者采用规模化生产的模板化技术来降低单位制造成本。同时，结合3D打印等先进制造技术，也有望在未来实现高效、经济的大规模生产。研究表明，利用选择性激光烧结技术可以显著降低生产成本，同时保持超材料的性能优势。
4.2 极端环境下性能稳定性问题
超材料在极端温度、湿度、压力等环境下的性能稳定性是其在机械振动控制中实际应用的重要挑战之一。环境因素可能导致超材料微观结构的变形或退化，从而影响其带隙特性与减振效果。例如，在高温条件下，部分聚合物基超材料可能发生软化或分解，导致其力学性能下降；而在高湿度环境中，水分的渗入可能改变材料的等效物性参数，进而削弱其振动控制能力。具体而言，当温度超过某一阈值时，某些热塑性聚合物基超材料的弹性模量会显著下降，从而影响其振动吸收效果。为提高超材料在极端环境下的性能稳定性，可以从材料选择和结构设计两方面入手。一方面，选用具有优异耐候性的基体材料，如陶瓷基或金属基复合材料；另一方面，通过引入层级设计或多功能集成策略，增强结构的鲁棒性与适应性。例如，采用梯度结构设计的超材料能够在宽温度范围内保持稳定的性能。此外，有限元仿真技术的应用也为预测和优化超材料在极端环境下的性能提供了有力支持。通过仿真，可以提前识别潜在的性能瓶颈，从而指导材料的设计与优化。
在实际应用中，例如航空航天领域的发动机部件减振，超材料需要在极端环境下保持稳定的性能。某研究团队开发的梯度结构设计超材料，成功在宽温度范围内实现了稳定的振动控制效果，证明了这一策略的有效性。
5 超材料结构设计在机械振动控制领域的未来发展趋势
5.1 与人工智能技术融合
随着人工智能技术的快速发展，其在超材料结构设计中的应用前景愈发广阔。人工智能算法，如机器学习和深度学习，能够通过分析大量数据，快速优化超材料的结构设计参数，从而实现对机械振动控制性能的精准预测与优化。例如，通过神经网络模型，可以建立超材料微观结构与宏观性能之间的复杂映射关系，显著缩短设计周期并提高设计效率。此外，人工智能技术还能够帮助研究人员探索更为复杂的超材料拓扑结构，这些结构在传统设计方法中往往难以实现。通过结合人工智能技术，超材料的设计不再局限于经验驱动，而是转向数据驱动，为开发高性能、多功能的超材料提供了新的可能性。一个实际案例是某研究团队利用机器学习算法优化了用于汽车悬挂系统的超材料结构，显著提升了行驶的平稳性和乘坐的舒适度。
5.2 3D打印技术拓展应用
3D打印技术作为一种新兴的制造工艺，为超材料结构设计带来了革命性的变化。传统制造方法在加工复杂超材料结构时面临诸多限制，而3D打印技术能够突破这些限制，实现高度定制化的微观结构制备。例如，在机械振动控制领域，3D打印技术可以用于制造具有分形几何特征的超材料结构，这种结构因其自相似性和多层次特性而展现出优异的力学性能。此外，3D打印技术还能够结合多材料打印技术，进一步拓展超材料的功能性。例如，通过结合不同材料的优势，可以设计出同时具备高强度和宽频带隙特性的超材料，从而满足更为复杂的振动控制需求。某科技公司利用3D打印技术制造了一种用于精密仪器的减震超材料，有效延长了仪器的使用寿命并提高了测量精度。因此，3D打印技术不仅为超材料的制备提供了新的工具，也为其在机械振动控制中的广泛应用开辟了新的方向。
参考文献
[1]韩洁;路国运;赵一涛.超材料混凝土单胞骨料的有阻尼自由振动特性研究[J].振动与冲击,2022,41(4):239-245.
[2]谢溪凌;董广明;林枫;张志谊;闻雪友.船舶动力与传动装置振动控制技术发展研究[J].中国工程科学,2022,24(6):193-202.
[3]赵龙;陆泽琦;丁虎;陈立群.低频振动隔离和能量采集双功能超材料[J].力学学报,2021,53(11):2972-2983.
[4]林乐燊;王志刚;马炳杰.减振降噪声学超材料的研究与应用进展[J].船舶工程,2024,46(3):1-10.
[5]尹剑飞;蔡力;方鑫;肖勇;杨海滨;张弘佳;钟杰;赵宏刚;郁殿龙;温激鸿.力学超材料研究进展与减振降噪应用[J].力学进展,2022,52(3):508-586.
[6]赵爱国;邹晗;赵志高;张满弓;陈虹;王真;张向东.五模材料波控器件设计及制造研究综述[J].航空制造技术,2022,65(14):80-91.
[7]冯云.超材料:颠覆式创新的物质基础[J].杭州科技,2022,53(3):13-18.
[8]张玖林;田霞.含螺旋孔的超材料夹层板的带隙特性研究[J].人工晶体学报,2024,53(3):511-518.
[9]张祖坚;郭辉;王晓玮;袁涛;孙裴.边界载荷对层级椭圆穿孔板超材料带隙的影响[J].人工晶体学报,2023,52(2):261-270.
[10]闫仕光;李盈利;殷国辉;姚松.旋转单元型打孔超结构设计及减振性能研究[J].振动与冲击,2024,43(12):131-139.
[11]吴昆;高玉强;王立峰;金栋平;胡海岩.多胞局域共振型超材料的减振实验研究[J].南京航空航天大学学报,2022,54(5):908-914.
[12]贺利工;赵才友;刘文武;孔晓钰;罗信伟.手性超结构隔振器浮置板轨道系统减振特性研究[J].振动与冲击,2023,42(22):248-255.
[13]许伟龙;彭伟才;张俊杰;何雪松.声隐身超材料发展综述[J].中国舰船研究,2020,15(4):19-27.
[14]李锁斌;魏儒义;周安安;李丽霞;何彦斌;李欣.超结构夹芯板及其低宽频振动带隙机理[J].西安交通大学学报,2021,55(4):77-85.
[15]杨智为;周涵.基于分形几何思路的超材料结构设计:综述[J].材料导报,2020,34(21):21052-21060.
作者简介：林聪杰（1980—），男，汉族，福建厦门人，本科，研究方向为机械。
