一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体及应用的制作方法

    技术2024-12-27  54


    本发明属于拓扑绝缘体材料,具体涉及一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体及应用。


    背景技术:

    1、近年来,声超材料和声子晶体的研究已经形成一套完整的能带理论与实验研究方法。通过引入拓扑学概念,声学系统中实现了一种能够有效抑制背向散射和缺陷免疫的边缘态。拓扑声学的发现不仅让人们重新认识了声传输现象,也拓展了声波调控器件的设计方法,引起了人们对声波、弹性波领域拓扑的研究兴趣。

    2、将具有不同拓扑相的两组结构组合到一起,在界面会存在谷拓扑边界态,声波在其界面传播的时候没有背向散射,更重要的是,声谷态输运不受弯曲路径和空腔的影响,这些为设计具有高鲁棒性和高效能的声学器件,如高精度声波导、声传感器和声隔离器等提供了新的可能,为声学技术的发展带来新的突破和应用前景。

    3、应用于实际工程中的材料、结构,在服役过程中将不可避免的遭受环境温度的影响。飞行器处于高温的环境中,高温环境可以改变结构的材料性能,也能够使结构发生热变形,诱发热应力,改变结构的固有特征。利用声学拓扑超材料在热环境下进行振动和波传播控制,则有必要探究热环境对声学拓扑超材料的能带特性及传输特性的影响机理。另外传统的声学拓扑超材料在结构设计完成后其带隙和拓扑态呈现不可调控性,因此无法满足不同工作环境的要求,限制了其应用范围。

    4、申请公布号为cn113470611a的发明专利公开了一种赝自旋拓扑状态和高阶拓扑状态并存的水下声学拓扑绝缘体,该水下声子晶体单胞结构包括正六边形晶格,所述正六边形晶格之中设有六个可围绕各自中心旋转的散射体;所述散射体呈月牙状,分布在所述正六边形晶格之中;当各散射体内弧边的圆心与所述散射体所在位置最接近的所述正六边形晶格边缘之间的距离最大时,所述水下声子晶体单胞结构处于拓扑平庸态;当各散射体内弧边的圆心与所述散射体所在位置最接近的所述正六边形晶格边缘之间的距离最小时,所述水下声子晶体单胞结构处于拓扑非平庸态。申请公布号为cn114647962a的发明专利公开了一种低频弹性超材料高阶拓扑绝缘体及应用,该低频弹性超材料高阶拓扑绝缘体,所述低频弹性超材料高阶拓扑绝缘体由第一拓扑结构和第二拓扑结构两种不同的拓扑结构组成:第一拓扑结构和第二拓扑结构形成的交界面为拓扑绝缘体边界,第一拓扑结构和第二拓扑结构形成的夹角为拓扑绝缘体拐角;第一拓扑结构和第二拓扑结构均由若干元胞周期排列组成。虽然这两种结构均能实现声波的拓扑传输,但其能带结构通常随着几何模型和材料组元的确定而固定,传输频率范围也随之固定,这不利于对传输声波的频率段调节。由于设计建模完成的几何结构一般不可更改,那些特殊几何参数可调模型的结构复杂程度极高,实际应用中对设备的维护造成影响,降低寿命和可靠性不高。同时,各组元材料通常也不可更换,这些对能带结构的可调产生了阻碍作用。


    技术实现思路

    1、本发明的目的是提供一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体以解决现有的声学拓扑超材料设计完成后带隙和拓扑态呈现不可调控性,无法满足不同工作环境的要求的技术问题。

    2、本发明的第二个目的是提供一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体的应用。

    3、为了实现以上目的,本发明采取的技术方案为:

    4、一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,包括声子晶体ⅰ和声子晶体ⅱ,所述声子晶体ⅰ为拓扑非平庸结构,所述声子晶体ⅱ为拓扑平庸结构;所述声子晶体ⅰ与声子晶体ⅱ形成的交界面为超胞界面。

    5、进一步的,所述声子晶体ⅰ由若干个正六边形原胞ⅰ排列为蜂窝状结构,所述声子晶体ⅱ由若干个正六边形原胞ⅱ排列为蜂窝状结构。

    6、进一步的,每个所述原胞ⅰ内嵌有六个钨柱,每个所述钨柱的中心与所述正六边形的中心的距离l1相等,l1>5mm;每个所述原胞ⅱ内嵌有六个钨柱,每个所述钨柱的中心与所述正六边形的中心的距离l2相等,l2<5mm。

    7、进一步的,所述声子晶体ⅰ和声子晶体ⅱ的晶格常数as=15mm。

    8、进一步的,所述钨柱的形状为圆柱形。

    9、进一步的,所述钨柱的半径1.2mm<r<1.8mm,所述钨的质量密度rtun=19100kg/m3,杨氏模量etun=354.1gpa,泊松比vtun=0.35。

    10、进一步的,所述声子晶体ⅰ以及声子晶体ⅱ的基体均为环氧树脂基体。

    11、进一步的,所述环氧树脂的质量密度rexp=1180kg/m3,杨氏模量eexp=0.559gpa,泊松比vexp=0.368。

    12、一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体在噪声及振动的智能调控领域的应用。

    13、本发明的有益效果:

    14、本发明的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体可以通过调控温度来改变拓扑传输通道的频率范围,从而实现对拓扑传输通道传输频率的非接触式主动调控,在噪声及振动的智能调控领域的应用具有较大潜力。



    技术特征:

    1.一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,包括声子晶体ⅰ和声子晶体ⅱ,所述声子晶体ⅰ为拓扑非平庸结构,所述声子晶体ⅱ为拓扑平庸结构;所述声子晶体ⅰ与声子晶体ⅱ形成的交界面为超胞界面。

    2.根据权利要求1所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,所述声子晶体ⅰ由若干个正六边形原胞ⅰ排列为蜂窝状结构,所述声子晶体ⅱ由若干个正六边形原胞ⅱ排列为蜂窝状结构。

    3.根据权利要求2所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,每个所述原胞ⅰ内嵌有六个钨柱,每个所述钨柱的中心与所述正六边形的中心的距离l1相等,l1>5mm;每个所述原胞ⅱ内嵌有六个钨柱,每个所述钨柱的中心与所述正六边形的中心的距离l2相等,l2<5mm。

    4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,所述声子晶体ⅰ和声子晶体ⅱ的晶格常数as=15mm。

    5.根据权利要求3所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,所述钨柱的形状为圆柱形。

    6.根据权利要求5所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,所述钨柱的半径1.2mm<r<1.8mm,所述钨的质量密度rtun=19100kg/m3,杨氏模量etun=354.1gpa,泊松比vtun=0.35。

    7.根据权利要求1所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,所述声子晶体ⅰ以及声子晶体ⅱ的基体均为环氧树脂基体。

    8.根据权利要求7所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,其特征在于,所述环氧树脂的质量密度rexp=1180kg/m3,杨氏模量eexp=0.559gpa,泊松比vexp=0.368。

    9.一种如权利要求1-8任一项权利要求所述的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体在噪声及振动的智能调控领域的应用。


    技术总结
    本发明涉及一种具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体及应用。该具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体,包括声子晶体Ⅰ和声子晶体Ⅱ,所述声子晶体Ⅰ为拓扑非平庸结构,所述声子晶体Ⅱ为拓扑平庸结构;所述声子晶体Ⅰ与声子晶体Ⅱ形成的交界面为超胞界面。本发明的具有弹性波可调传输的拓扑绝缘体可以通过调控温度来改变拓扑传输通道的频率范围,从而实现对拓扑传输通道传输频率的非接触式主动调控,在噪声及振动的智能调控领域的应用具有较大潜力。

    技术研发人员:楚杨阳,青华,张赛,潘璠
    受保护的技术使用者:郑州轻大产业技术研究院有限公司
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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