Mekanik metamalzeme - Mechanical metamaterial

Mekanik metamalzemeler Bileşimlerinden ziyade yapıları ile tanımlanan mekanik özelliklere sahip yapay yapılardır. Oldukça iyi bilinen ailesinin muadili olarak görülebilirler. optik metamalzemeler. Genellikle de adlandırılırlar elastodinamik metamalzemeler ve dahil et akustik metamalzemeler özel bir kayma kayması durumu olarak. Mekanik özellikleri doğada bulunamayacak değerlere sahip olacak şekilde tasarlanabilir.[1]

Mekanik metamalzeme örnekleri

Akustik / fononik metamalzemeler

Akustik veya fononik metamalzemeler negatif etkili gibi doğada bulunmayan akustik özellikler sergileyebilir yığın modülü,[2] negatif etkili kütle yoğunluğu,[3][4] veya çifte olumsuzluk.[5][6] Akustik alt dalga boyu görüntüleme gibi uygulamalarda (çoğunlukla hala tamamen bilimsel) kullanım bulurlar,[7] süper algılama[8] negatif kırılma [9] veya dönüşüm akustiği.[10][11]

Negatif Poisson oranına sahip malzemeler (yardımcı maddeler)

Poisson oranı boylamasına sıkıştırıldığında bir malzemenin enlemesine nasıl genişlediğini (veya büzüldüğünü) tanımlar. Çoğu doğal malzeme pozitif bir Poisson oranına sahipken (bir malzemeyi sıkıştırarak dik yönde genişlemesi gerektiğine dair sezgisel fikrimiz ile çakışmaktadır). yardımcı malzemeler Poisson oranlarını sıfırın altında sergileyebilir. Bunların örnekleri doğada bulunabilir veya uydurulmuş olabilir.[12][13] ve genellikle dökme malzemeye aşırı özellikler kazandıran düşük hacimli bir mikro yapıdan oluşur. Negatif Poisson oranına (ters altıgen periyodiklik hücresi) sahip basit kompozit tasarımları 1985 yılında yayınlandı.[14][15] Ek olarak, bazı origami kıvrımları Miura kıvrımı ve genel olarak zikzak esaslı kıvrımların da negatif Poisson oranı sergilediği bilinmektedir.[16][17][18][19]

Negatif boylamsal ve hacimsel sıkıştırılabilirlik geçişli metamalzemeler

Dengede kapalı bir termodinamik sistemde, hem uzunlamasına hem de hacimsel sıkıştırılabilme kararlılık kısıtlamaları nedeniyle mutlaka negatif değildir. Bu nedenle, gerildiğinde, sıradan malzemeler uygulanan kuvvetin yönü boyunca genişler. Bununla birlikte, metamalzemelerin, gerildiğinde (veya basınç uygulandığında genişlediğinde) malzemenin büzülmeye uğradığı negatif sıkıştırılabilirlik geçişleri sergileyecek şekilde tasarlanabileceği gösterilmiştir.[20] İzotropik gerilimlere maruz kaldıklarında, bu metamalzemeler ayrıca negatif hacimsel sıkıştırılabilirlik geçişleri sergiler.[21] Bu metamalzemeler sınıfında, olumsuz tepki, uygulanan kuvvetin yönü boyuncadır, bu da bu malzemeleri olumsuz enine tepki gösterenlerden (negatif Poisson oranı çalışmasında olduğu gibi) ayırır.

Pentamode metamalzemeler veya meta-sıvılar

Pentamode metamalzemenin SEM görüntüsü (yaklaşık 300 μm boyutunda)

Pentamod metamalzeme, katı olmasına rağmen ideal olarak sıvı gibi davranan yapay bir üç boyutlu yapıdır. Böylece, sonlu bir toplu ama kayboluyor kayma modülü veya başka bir deyişle sıkıştırması zordur, ancak deforme olması kolaydır. Daha matematiksel bir şekilde konuşursak, pentamode metamalzemelerin bir elastikiyet tensörü sadece bir sıfır olmayan özdeğer ve beş (penta) kaybolan özdeğer ile.

Pentamode yapıları teorik olarak önerilmiştir Graeme Milton ve Andrej Cherkaev 1995'te [22] ancak 2012'nin başlarına kadar üretilmemiştir.[23] Teoriye göre, pentamode metamalzemeler, tamamen keyfi elastik özelliklere sahip malzemeler için yapı taşları olarak kullanılabilir.[22] Pentamode yapılarının anizotropik versiyonları, dönüşüm elastodinamiği ve elastodinamik gizleme için adaydır.

Cosserat ve Mikropolar Metamalzemeler

Çok sık Cauchy esnekliği mekanik metamalzemelerin etkili davranışını tanımlamak için yeterlidir. Tipik metamalzemelerin birim hücreleri merkezcilemetrik olmadığında, kiral mikropolar esneklik (veya Cosserat [24]) gerekliydi.[25] Mikropolar esneklik, statik durumda öteleme ve dönme serbestlik derecelerinin kuplajını birleştirir ve eşdeğer bir davranış gösterir. Optik Aktivite.

Willis malzemeleri

2006'da Milton, Briane ve Willis[26] Doğrusal elastodinamiğin doğru değişmez biçiminin, 1970'lerin sonlarında ve 1980'lerin başlarında Willis tarafından homojen olmayan malzemelerin elastodinamiğini tanımlamak için önerilen yerel denklemler kümesi olduğunu gösterdi.[27]. Bu, görünüşte olağandışı (elastik malzemelerde) gerilim, gerinim ve hız arasındaki ve ayrıca momentum, gerinim ve hız arasındaki bağlantıyı içerir. Navier'in denklemlerinin değişmezliği, dönüşüm teorisi altında ortaya çıkabilir, ancak simetrik olmayan gerilime sahip malzemeler gerektirecektir, bu nedenle yukarıda belirtilen Cosserat malzemelerine olan ilgi. Teori, Norris ve Shuvalov tarafından makalede daha fazla temel verildi.[28].

Hiperelastik gizleme ve değişmezlik

Simetrik olmayan gerilimi elde etmek için bir başka mekanizma, önceden gerilmiş hiperelastik malzemeler ve "büyük üzerine küçük" teorisini, yani önceden gerilmiş doğrusal olmayan ortam yoluyla elastik dalga yayılımını kullanmaktır. 2012'de Royal Society A'da yazılan iki makale, bu sözde ilkeyi kurdu. hiperelastik gizleme ve değişmezlik[29] [30] ve o zamandan beri elastik dalga gizleme ve fononik ortam ile birlikte çeşitli şekillerde kullanılmaktadır.

Referanslar

  1. ^ Surjadi, James Utama; et al. (4 Ocak 2019). "Mekanik Metamalzemeler ve Mühendislik Uygulamaları". İleri Mühendislik Malzemeleri. 21 (3): 1800864. doi:10.1002 / adem.201800864.
  2. ^ Lee, Sam Hyeon; Park, Choon Mahn; Seo, Yong Mun; Wang, Zhi Guo; Kim, Chul Koo (29 Nisan 2009). "Negatif modüllü akustik metamalzeme". Journal of Physics: Yoğun Madde. 21 (17): 175704. arXiv:0812.2952. Bibcode:2009JPCM ... 21q5704L. doi:10.1088/0953-8984/21/17/175704. PMID  21825432. S2CID  26358086.
  3. ^ Lee, Sam Hyeon; Park, Choon Mahn; Seo, Yong Mun; Wang, Zhi Guo; Kim, Chul Koo (1 Aralık 2009). "Negatif yoğunluklu akustik malzeme". Fizik Harfleri A. 373 (48): 4464–4469. Bibcode:2009PhLA..373.4464L. doi:10.1016 / j.physleta.2009.10.013.
  4. ^ Yang, Z .; Mei, Jun; Yang, Min; Chan, N .; Sheng, Ping (1 Kasım 2008). "Negatif Dinamik Kütleli Membran Tipi Akustik Metamalzeme" (PDF). Fiziksel İnceleme Mektupları. 101 (20): 204301. Bibcode:2008PhRvL.101t4301Y. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.204301. PMID  19113343.
  5. ^ Ding, Yiqun; Liu, Zhengyou; Qiu, Chunyin; Shi, Jing (Ağustos 2007). "Eşzamanlı Negatif Yığın Modülü ve Kütle Yoğunluğuna Sahip Metamalzeme". Fiziksel İnceleme Mektupları. 99 (9): 093904. Bibcode:2007PhRvL..99i3904D. doi:10.1103 / PhysRevLett.99.093904. PMID  17931008.
  6. ^ Lee, Sam Hyeon; Park, Choon Mahn; Seo, Yong Mun; Wang, Zhi Guo; Kim, Chul Koo (1 Şubat 2010). "Eşzamanlı Negatif Yoğunluk ve Modülüslü Kompozit Akustik Ortam". Fiziksel İnceleme Mektupları. 104 (5): 054301. arXiv:0901.2772. Bibcode:2010PhRvL.104e4301L. doi:10.1103 / PhysRevLett.104.054301. PMID  20366767.
  7. ^ Zhu, J .; Christensen, J .; Jung, J .; Martin-Moreno, L .; Yin, X .; Fok, L .; Zhang, X .; Garcia-Vidal, F.J. (2011). "Akustik derin alt dalga boyu görüntüleme için delikli yapılı bir meta malzeme". Doğa Fiziği. 7 (1): 52–55. Bibcode:2011NatPh ... 7 ... 52Z. doi:10.1038 / nphys1804. hdl:10261/52201.
  8. ^ Li, Jensen; Fok, Lee; Yin, Xiaobo; Bartal, Guy; Zhang Xiang (2009). "Akustik büyütme hiperlensinin deneysel gösterimi". Doğa Malzemeleri. 8 (12): 931–934. Bibcode:2009NatMa ... 8..931L. doi:10.1038 / nmat2561. PMID  19855382.
  9. ^ Christensen, Johan; de Abajo, F. (2012). "Akustik Dalgaların Tam Kontrolü için Anizotropik Metamalzemeler". Fiziksel İnceleme Mektupları. 108 (12): 124301. Bibcode:2012PhRvL.108l4301C. doi:10.1103 / PhysRevLett.108.124301. hdl:10261/92293. PMID  22540586.
  10. ^ Farhat, M .; Enoch, S .; Guenneau, S .; Movchan, A. (2008). "Bir Akışkan içindeki Doğrusal Yüzey Dalgaları için Geniş Bant Silindirik Akustik Pelerin". Fiziksel İnceleme Mektupları. 101 (13): 134501. Bibcode:2008PhRvL.101m4501F. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.134501. PMID  18851453.
  11. ^ Cummer, Steven A; Schurig, David (2007). "Akustik gizlemeye giden tek yol". Yeni Fizik Dergisi. 9 (3): 45. Bibcode:2007NJPh .... 9 ... 45C. doi:10.1088/1367-2630/9/3/045.
  12. ^ Xu, B .; Arias, F .; Brittain, S. T .; Zhao, X.-M .; Grzybowski, B .; Torquato, S .; Whitesides, G.M. (1999). "Yumuşak Litografi ile Negatif Poisson Oranlı Mikro Yapıların Yapılması". Gelişmiş Malzemeler. 11 (14): 1186–1189. doi:10.1002 / (SICI) 1521-4095 (199910) 11:14 <1186 :: AID-ADMA1186> 3.0.CO; 2-K.
  13. ^ Bückmann, Tiemo; Stenger, Nicolas; Kadiç, Muamer; Kaschke, Johannes; Frölich, Andreas; Kennerknecht, Tobias; Eberl, Christoph; Thiel, Michael; Wegener, Martin (22 Mayıs 2012). "Daldırmalı Doğrudan Lazer Yazma Optik Litografi ile Yapılan Özel 3D Mekanik Metamalzemeler". Gelişmiş Malzemeler. 24 (20): 2710–2714. doi:10.1002 / adma.201200584. PMID  22495906.
  14. ^ Kolpakovs, A.G. (1985). "Elastik çerçevelerin ortalama özelliklerinin belirlenmesi". Uygulamalı Matematik ve Mekanik Dergisi. 49 (6): 739–745. Bibcode:1985JApMM..49..739K. doi:10.1016/0021-8928(85)90011-5.
  15. ^ Almgren, R.F. (1985). "Poisson oranı = -1 olan izotropik üç boyutlu bir yapı". Journal of Elasticity. 15 (4): 427–430. doi:10.1007 / bf00042531. S2CID  123298026.
  16. ^ Schenk, Mark (2011). Katlanmış Kabuk Yapıları, Doktora Tezi (PDF). Cambridge Üniversitesi, Clare Koleji.
  17. ^ Wei, Z. Y .; Guo, Z. V .; Dudte, L .; Liang, H. Y .; Mahadevan, L. (2013-05-21). "Periyodik Pileli Origami'nin Geometrik Mekaniği". Fiziksel İnceleme Mektupları. 110 (21): 215501. arXiv:1211.6396. Bibcode:2013PhRvL.110u5501W. doi:10.1103 / PhysRevLett.110.215501. PMID  23745895. S2CID  9145953.
  18. ^ Eidini, Maryam; Paulino, Glaucio H. (2015). "Zikzak tabanlı katlanmış tabakalarda metamalzeme özelliklerinin çözülmesi". Bilim Gelişmeleri. 1 (8): e1500224. arXiv:1502.05977. Bibcode:2015SciA .... 1E0224E. doi:10.1126 / sciadv.1500224. ISSN  2375-2548. PMC  4643767. PMID  26601253.
  19. ^ Eidini, Maryam (2016). "Zikzak tabanlı katlanmış tabaka hücresel mekanik metamalzemeler". Extreme Mechanics Mektupları. 6: 96–102. arXiv:1509.08104. doi:10.1016 / j.eml.2015.12.006. S2CID  118424595.
  20. ^ Nicolaou, Zachary G .; Motter, Adilson E. (2012). "Negatif sıkıştırılabilirlik geçişli mekanik metamalzemeler". Doğa Malzemeleri. 11 (7): 608–13. arXiv:1207.2185. Bibcode:2012NatMa..11..608N. doi:10.1038 / nmat3331. PMID  22609557. S2CID  13390648.
  21. ^ Nicolaou, Zachary G .; Motter, Adilson E. (2013). "Aşırı Gerilmiş Metamalzemelerde Boyuna Ters Sıkıştırılabilirlik". İstatistik Fizik Dergisi. 151 (6): 1162–1174. arXiv:1304.0787. Bibcode:2013JSP ... 151.1162N. doi:10.1007 / s10955-013-0742-8. S2CID  32700289.
  22. ^ a b Milton, Graeme W .; Cherkaev, Andrej V. (1 Ocak 1995). "Hangi Esneklik Tensörleri Gerçekleştirilebilir?". Mühendislik Malzemeleri ve Teknolojisi Dergisi. 117 (4): 483. doi:10.1115/1.2804743.
  23. ^ Kadiç, Muamer; Bückmann, Tiemo; Stenger, Nicolas; Thiel, Michael; Wegener, Martin (1 Ocak 2012). "Pentamod mekanik metamalzemelerin uygulanabilirliği üzerine". Uygulamalı Fizik Mektupları. 100 (19): 191901. arXiv:1203.1481. Bibcode:2012ApPhL.100s1901K. doi:10.1063/1.4709436. S2CID  54982039.
  24. ^ Rueger, Z .; Lakes, R.S. (8 Şubat 2018). "Enine İzotropik Polimer Kafes içinde Güçlü Cosserat Esnekliği". Fiziksel İnceleme Mektupları. 120 (6): 065501. Bibcode:2018PhRvL.120f5501R. doi:10.1103 / PhysRevLett.120.065501.
  25. ^ Frenzel, Tobias; Kadiç, Muamer; Wegener, Martin (23 Kasım 2017). "Bir bükülme ile üç boyutlu mekanik metamalzemeler". Bilim. 358 (6366): 1072–1074. Bibcode:2017Sci ... 358.1072F. doi:10.1126 / science.aao4640. PMID  29170236.
  26. ^ Graeme W Milton; Marc Briane; John R Willis (2006-10-24). "Esneklik ve fiziksel denklemler için gizleme üzerine değişmez bir dönüşüm biçimi ile". Yeni Fizik Dergisi. 8 (10). doi:10.1088 / 1367-2630 / 8/10/248 / meta (etkin olmayan 2020-11-08). ISSN  1367-2630.CS1 Maint: DOI Kasım 2020 itibarıyla etkin değil (bağlantı)
  27. ^ Willis, J.R. (1981-01-01). "Homojen olmayan elastik ortam için dinamik problemler için varyasyonel ilkeler". Dalga hareketi. 3 (1): 1–11. doi:10.1016/0165-2125(81)90008-1. ISSN  0165-2125.
  28. ^ Norris, A. N .; Shuvalov, A.L. (2011-09-01). "Elastik gizleme teorisi". Dalga hareketi. Dalga Hareketinin Gizlenmesiyle İlgili Özel Sayı. 48 (6): 525–538. arXiv:1103.6045. doi:10.1016 / j.wavemoti.2011.03.002. ISSN  0165-2125.
  29. ^ Parnell, William J. (2012-02-08). "Düzlem karşıtı elastik dalgalardan gizleme için doğrusal olmayan ön gerilim". Royal Society A: Matematik, Fizik ve Mühendislik Bilimleri Bildirileri. 468 (2138): 563–580. arXiv:1203.3246. Bibcode:2012RSPSA.468..563P. doi:10.1098 / rspa.2011.0477. S2CID  51681026.
  30. ^ Norris, A. N .; Parnell, W. J. (2012-10-08). "Hiperelastik gizleme teorisi: ön gerilimli katılarla dönüşüm esnekliği". Royal Society A: Matematik, Fizik ve Mühendislik Bilimleri Bildirileri. 468 (2146): 2881–2903. arXiv:1204.4655. Bibcode:2012RSPSA.468.2881N. doi:10.1098 / rspa.2012.0123. S2CID  53619286.