微尺度下的機械超材料由于其特殊的構建單元而表現(xiàn)出奇特的靜態(tài)特性，但其動態(tài)特性的研究仍然較少。它們的設計原則可以針對高應變率變形下的頻率相關特性和彈性，使其成為適用于輕質抗沖擊、聲波導或振動阻尼應用的多功能材料。然而，由于低通量和破壞性的表征或缺乏測試方法，獲取小尺度下的動態(tài)特性仍然是一個挑戰(zhàn)。

基于此，麻省理工學院Carlos M. Portela、Thomas Pezeril等人演示了一種高通量、非接觸式框架，該框架使用超材料內(nèi)的MHz波傳播特征來非破壞性地提取動態(tài)線性特性、全向彈性信息、阻尼特性和缺陷量化。使用微觀超材料的棒狀鑲嵌結構，作者報告了在應變率接近102 ?s?1時高達 94% 的方向依賴和速率依賴的動態(tài)剛度，以及比其組成材料高出三倍阻尼特性。

作者還表明，振動響應中的頻移可以表征超材料內(nèi)的不可見缺陷，選擇性探測可以構建實驗彈性表面，而這在以前只能通過計算來實現(xiàn)。該工作為加速數(shù)據(jù)驅動的材料和微器件的發(fā)現(xiàn)提供了一種途徑，可用于動態(tài)應用，如保護結構、醫(yī)學超聲或隔振。

激光誘導彈性波

作者設計了一種基于脈沖激光的技術，利用材料樣品表面彈性波的光聲激發(fā)實現(xiàn)了微尺度超材料的高通量、無損表征。使用雙光子光刻系統(tǒng)以細長的縱橫比用IP-Dip光刻膠制造了聚合物微晶格，該系統(tǒng)接近激發(fā)時棒狀一維波傳播的極限，促進了超材料機械性能的提取。為了測量扭轉模式，實施了橫向泵浦-連續(xù)波探針方案，通過對整體和超材料幾何形狀進行數(shù)值特征頻率分析，進一步確認了模態(tài)分類，這為縱向、彎曲和扭轉模式提供了定性和定量的一致性。

圖1 超材料中彈性波的非接觸激光誘導激發(fā)和探測

高通量動態(tài)機械表征

接著，作者確定了超材料的動態(tài)機械特性。作者使用長波長極限內(nèi)的測量，根據(jù)實驗色散關系計算出每種波類型的群速度，然后使用縱向群速度來計算每個樣本的有效剛度。為了量化對樣品響應的動態(tài)影響，使用位移控制納米壓痕儀對與通過LIRAS測試的樣品相同的樣品進行了準靜態(tài)單軸壓縮實驗。比較通過這兩種技術獲得的有效剛度，顯示了所有樣品的動態(tài)剛化效果。

超材料的應變率高達102?s?1，證實了LIRAS測量中觀察到的速率依賴性響應。此外，結構和各向異性可以在很寬的超聲波頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻尼特性。兩種超材料在順應方向和彎曲主導的結構中表現(xiàn)出比剛性和拉伸主導的響應更高的阻尼能力。

圖2 超材料的LIRAS動態(tài)測量

圖3 超材料的動態(tài)彈性和阻尼特性

全向彈性特性

作者利用LIRAS技術的功能為動態(tài)條件下的超材料提供完全實驗性的彈性張量提取。作者通過三種計算方法，共同預測超材料內(nèi)的預期各向異性和波傳播特性，對LIRAS得出的與測量頻率和表觀各向異性有關的特性進行了初步驗證。在確認波傳播響應和沿特定方向產(chǎn)生的動態(tài)剛度后，作者結合了從LIRAS測量中提取的所有屬性，為超材料生成了實驗動態(tài)彈性表面。實驗動態(tài)彈性表面保留了超材料的定性各向異性，[111]和[100]分別保持為八面體和十四面體中最硬的方向，并表現(xiàn)出動態(tài)剛度。

圖4 波傳播驗證和全向彈性特性

無損缺陷識別

作者使用LIRAS通過測量微觀樣品中波傳播響應的變化來提供高通量缺陷識別。作者設計并制造了5×5×10八位元超材料，每個垂直鑲嵌層具有不同程度的立方固體夾雜物。將夾雜物尺寸與大約10 μm八位組晶胞的尺寸相匹配，制造了每層0到4個缺陷的樣品，并測量了它們在激發(fā)時的主要共振模式。實驗結果表明當每層缺陷數(shù)量增加時，諧振頻率也增加。缺陷探索表明，共振頻移提供了足夠的分辨率來確定缺陷密度。

圖5 振動缺陷識別

審核編輯：劉清