[实用新型]一种三维周期复合材料的单胞结构

说明书

本实用新型提供一种三维周期复合材料的单胞结构，其特征在于：包括单胞基体与三维实体；所述单胞基体呈正方体状，其体心处设有体心空腔；所述三维实体以体心空腔为圆心均匀分布于单胞基体内，为椭球体或者任意一个二维图形绕其任意一条轴线旋转所形成的空腔，并且三维实体内填充有散射体。本实用新型提出了一种三维周期复合材料单胞结构，能在笛卡尔坐标系x，y，z三个方向上产生弹性波禁带，因此可用于制作减振降噪人工材料。

技术领域

本实用新型属于减振领域，尤其涉及一种三维周期复合材料的单胞结构。

背景技术

目前在机械、土木、仪器等研究领域，如何控制振动是意义重大的问题。比如，共振会使构件失效，此外，频繁的振动会使金属构件加速疲劳破坏，尤其对于精密仪器，要保证其精度就要保证其不受振动干扰。一切振动的物体都在发声，噪声会影响人们的生活质量和身心健康。因此对隔振、减振的研究具有重要意义。

本实用新型涉及的三维周期复合材料也是三维声子晶体。声子晶体是具有弹性波带隙的人工周期性功能材料或结构。振动在连续介质中以波的形式传播，处于声子晶体带隙频率内弹性波，其波矢没有任何对应的本征模式，这样振动就不能传播。

例如声子晶体在精密加工领域具有广阔的应用前景。超精密运动平台是超大规模集成电路、空间光学元件、微／纳光学阵列元件、微／纳光机电系统、生物芯片、分子器件、量子器件制造以及特殊零部件表面精细微结构加工等领域纳米制造装备的核心部件，其动态定位精度和运动精度直接决定纳米制造装备的技术水平。纳米精度加工技术代表了精密制造业的最高发展水平，是衡量一个国家精密制造实力的标志之一。发达国家为了保持其在精密制造业的领先水平，始终将超精密加工装备技术列为国家战略计划的重点发展领域。我国在这方面的技术相对落后，导致大发动机、芯片制造和大型医疗设备等众多关乎国计民生的关键领域受制于人。超精密运动平台的动态定位精度和运动精度直接决定纳米制造装备的技术水平。目前，国际主流超精密运动平台的运动系统采用气浮支承和宏—微电磁直接驱动实现纳米加工的精度要求。气浮支承和宏—微电磁直接驱动同样存在不容忽视的难题：气浮支承中复杂的湍流现象会引起轴承微振动，其中涉及到的N-S方程是数十年来的世界性难题；电磁直接驱动不可避免地会发热，引起结构变形、误差，涉及到复杂的电—磁—力—热耦合。因此，以气浮支承和电磁驱动为典型结构特征的超精密运动平台，其运动稳定性受电、磁、气、固、热多源微扰动的影响，成为制约加工精度提升的瓶颈。综上所述，在气浮支承和宏—微电磁直接驱动之外，有必要开辟新的方式抑制超精密运动平台中的微振动，而釆用声子晶体等新型的材料和结构抑制微振动是绝佳的选择。

声子晶体按照周期性的维数可分为一维、二维和三维声子晶体，相对于三维结构，一维和二维结构因其加工简单，容易计算，所以受到的关注较多，是该研究领域的主要的研究对象。而三维结构可在三个方向上产生禁带，这是一维和二维结构做不到的。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种三维周期复合材料单胞结构，这种单胞结构能在x，y，z三个方向上产生弹性波禁带，起到隔声、隔振的作用。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种三维周期复合材料的单胞结构，包括单胞基体与三维实体；单胞基体呈正方体状，其体心处设有体心空腔；三维实体以体心空腔为圆心均匀分布于单胞基体内，为椭球体或者任意一个二维图形绕其任意一条轴线旋转所形成的空腔，并且三维实体内填充有散射体。作为优选，三维实体的数量为6个，均布于正方体状单胞基体的三条相对面心的连线上。作为优选，三维实体的数量为8个，均布于正方体状单胞基体的四条体对角线上。

进一步地，散射体不充满或者完全充满三维实体。

进一步地，当散射体不充满三维实体时，散射体从靠近体心空腔的一侧填充，或者从远离体心空腔的一侧填充，或者从三维实体中部朝向两端填充。