基于周期热场的频率可调控一维声子晶体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于周期热场的频率可调控一维声子晶体及其制备方法。所述声子晶体包括：若干三维的声子晶体单胞(1)及位于各相邻的所述声子晶体单胞(1)之间的加热电路(2)，其中所述三维声子晶体单胞(1)由具有弹性模量对温度敏感特性的聚合物材料形成，所述加热电路(2)在相邻的所述声子晶体单胞(1)间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成螺旋形环路，并相互连通。本发明专利技术可获得基于热场的、可对弹性波调控的一维均一声子晶体，其可通过改变加热功率连续调节声子晶体的带隙位置及带隙宽度，克服了传统声子晶体无法调节带隙、调节带隙范围窄、调节方式繁琐单一的不足。方式繁琐单一的不足。方式繁琐单一的不足。

【技术实现步骤摘要】
基于周期热场的频率可调控一维声子晶体及其制备方法


[0001]本专利技术涉及声子晶体的


技术介绍

[0002]弹性波在周期性结构中传播时，会出现特定频率传播效率显著降低的现象，这种具有弹性波带隙效应的周期性结构被称为声子晶体。一般情况下，一旦声子晶体的相关参数确定，其带隙的位置及宽度也随之确定，在不改变参数的情况下无法改变。因此，在实际应用过程中，需要改变声子晶体的相关参数，从而对弹性波带隙进行调控，使结构更灵活地适应多个弹性波频段，这种改变结构本身与材料的方法不仅过程繁冗且成本较高，且不能根据所需频段及时调节频率。针对该问题，一种有效而便捷的方法是直接利用材料的温度敏感特性进行调控。
[0003]现有的通过温度调控带隙的声子晶体，采用的都是多种组分，其基体与散射体采用不同的材料，这些声子晶体的制备过程相对繁琐，需要分别制备基体与散射体并完成组装。并且，基体与散射体之间存在明显的界面，在加工过程中不可避免地会出现一定的误差，使得制备后得到的实物中散射体与基体之间的相对位置与设计图存在偏差，影响声子晶体的带隙特性。
[0004]另外，现有的通过温度调控频率带隙的声子晶体，基底采用的是弹性模量较低的材料，散射体大部分采用的是形状记忆合金材料，这类材料的杨氏模量大，且具有两种相，其在低温状态下为杨氏模量较低的马氏体相在高温状态下为杨氏模量较高的奥氏体相。通过温度的变化，引起散射体杨氏模量的变化，从而实现带隙调控。然而，形状记忆合金具有工作温度窗口窄、循环稳定性差、高温热软化等缺点，使其发展和应用受到限制。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种可采用对温度敏感的单一材料，仅依靠其内部热场分布引起的材料弹性模量差异来获得一维声子晶体的带隙的新型声子晶体及系统，该声子晶体或系统的制备过程相对简单，避免了不同组分材料之间的界面问题，可实现更理想的带隙特性。进一步的，该声子晶体可采用环氧树脂材料，在其杨氏模量可随温度变化发生改变的前提下，其可解决采用形状记忆合金的一系列缺点。本专利技术的目的还在于提供该声子晶体或系统的制备方法。
[0006]本专利技术首先提供了如下的技术方案：
[0007]基于周期热场的频率可调控一维声子晶体，其包括：若干三维的声子晶体单胞(1)及位于各相邻的所述声子晶体单胞(1)之间的加热电路(2)，其中所述三维声子晶体单胞(1)由具有弹性模量对温度敏感特性的聚合物材料形成，所述加热电路(2)在相邻的所述声子晶体单胞(1)间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成螺旋形环路，并相互连通。
[0008]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述聚合物材料选自环氧树脂。
[0009]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述环氧树脂材料满足以下温敏特性：
[0010][0011]其中，E表示杨氏模量，T表示温度。
[0012]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述加热电路由聚酰亚胺覆铜板形成。
[0013]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述聚酰亚胺覆铜板的上层材料为厚度18μm的铜箔，下层材料为厚度12.5μm的聚酰亚胺薄膜，两层材料中间为13μm的胶黏层。
[0014]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述晶体单胞(1)的尺寸为20
×
20
×
20mm，由相邻晶体单胞间的加热电路形成的加热单元的尺寸为19.4mm
×
19.4mm，每个加热单元包含8条平行的蛇形导线，每条蛇形导线的宽度为1.9mm，相邻导线间距为0.6mm。
[0015]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述加热电路(2)为双层结构，其中，上层为螺旋形环路，下层为网状的聚酰亚胺层，不同晶体单胞间的螺旋形环路相互串联，其对应的网状的聚酰亚胺层形成并联。
[0016]本专利技术进一步提供了上述声子晶体的制备方法，其包括：
[0017]根据所述晶体单胞的尺寸和形态选择单胞模具，并根据由所述声子晶体单胞及所述加热电路组装成的一维声子晶体的整体尺寸和形态选择整体模具；
[0018]将环氧树脂材料的组分按比例混合均匀，得到未固化的环氧树脂混合物；
[0019]将所述环氧树脂混合物加入所述单胞模具中，并进行真空操作除去混合物中的气泡；
[0020]将预热后的含环氧树脂混合物的单胞模具在常温下静置，至其固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体单胞；
[0021]将各声子晶体单胞加入所述整体模具中，在相邻声子晶体单胞间放置所述加热电路，其后在缝隙间加入所述环氧树脂混合物，并在常温下静置固化，其后经脱模、洗涤，得到所述声子晶体。
[0022]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述单胞模具和/或所述整体模具的材料选自硅胶、聚氯乙烯(PVC)板、亚力克板中一种或多种。
[0023]根据本专利技术的一些优选实施方式，脱模使用的脱模剂选自凡士林、和/或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0024]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述固化的时间为常温下固化10～14小时。
[0025]本专利技术制备得到的声子晶体实物的带隙特性与理论结果更为接近，其通过周期排列的蜿蜒蛇形加热电路，可获得周期分布的温度场进而获得周期分布的杨氏模量，通过改变蜿蜒蛇形加热电路的发热功率进而实现频率带隙调控，无需进行外部加热。
[0026]本专利技术的声子晶体选择弹性模量对温度敏感特性的环氧树脂材料，并借助蛇形蜿蜒结构电路进行加热，仅依靠因其内部热场分布引起的材料弹性模量差异来获得该类一维声子晶体的带隙，当加热功率变化时，结构中的热场是连续变化的，进而可以通过改变加热功率获得连续变化的弹性模量分布，实现对一维声子晶体带隙的连续调控。
[0027]本专利技术的加热电路采用蛇形蜿蜒结构串联，可实现各处电流相等，达到均匀发热的目的。
[0028]本专利技术的声子晶体选取均一的环氧树脂材料，在全域同温时，没有基体与散射体之分；因其杨氏模量对温度较为敏感，可通过周期温度场产生弹性模量的周期性变化，并且
可以通过改变加热功率，实现对散射体填充率的改变。
[0029]本专利技术可获得基于热场的、可对弹性波调控的一维均一声子晶体，其通过改变加热功率连续调节声子晶体的带隙位置及带隙宽度，克服传统声子晶体无法调节带隙、调节带隙范围窄、调节方式繁琐单一的不足，为弹性波的控制提供了一种新的技术构思。
附图说明
[0030]图1为一具体实施方式中声子晶体系统的结构正视图。
[0031]图2为图1所示声子晶体系统的结构俯视图。
[0032]图3为图1所示声子晶体系统的三维视图。
[0033]图4为蛇形加热电路示意图，其中(a)加热单元电路；(b)加热单元组合电路；(c)加工后的加热电路。
[0034]图5为实施例1中的加工模具示意图，其中(a)单胞模具；(b)整体模具。
[0035]图6为实施例1中的涂抹脱模剂后的模具示意图，其中(a)单胞模具；(b)整体模具。
[0036]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于周期热场的频率可调控一维声子晶体，其特征在于，其包括：若干三维的声子晶体单胞(1)及位于各相邻的所述声子晶体单胞(1)之间的加热电路(2)，其中所述三维声子晶体单胞(1)由具有弹性模量对温度敏感特性的聚合物材料形成，所述加热电路(2)在相邻的所述声子晶体单胞(1)间自上至下呈蛇形蜿蜒或形成螺旋形环路，并相互连通。2.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述聚合物材料选自环氧树脂。3.根据权利要求2所述的声子晶体，其特征在于，所述环氧树脂材料满足以下温敏特性：其中，E表示杨氏模量，T表示温度。4.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述加热电路由聚酰亚胺覆铜板形成。5.根据权利要求3所述的声子晶体，其特征在于，所述聚酰亚胺覆铜板的上层材料为厚度18μm的铜箔，下层材料为厚度12.5μm的聚酰亚胺薄膜，两层材料中间为13μm的胶黏层。6.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述晶体单胞(1)的尺寸为20
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20
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20mm，由相邻晶体单胞间的加热电路形成的加热单元的尺寸为19.4mm
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19.4mm，每个加热单元包含8条平行的蛇形导线，每条蛇形导线的宽度为1.9mm，相邻导线间距为0.6mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇航，崔馨博，赵召，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：