[实用新型]一种纤维铺层模态转换超材料结构

说明书

本实用新型公开了一种纤维铺层模态转换超材料结构，该模态转换超材料结构包括三层以上对称堆叠的纤维铺层单层板；其中，所述每个纤维铺层单层板厚度均匀，且均包括纤维材料和介质基体。本实用新型通过调整纤维铺层单层板中纤维的铺设方式来设计超材料的各向异性，能够在实现高效率的模态转换的同时，还能保证材料结构强度和力学性能不被破坏，实现该模态转换超材料结构和功能的一体化设计。本实用新型制备简单，维修成本低，结构强度高，密度低，在模态转换领域拥有广阔的市场前景。

技术领域

本实用新型涉及模态转换超材料领域，具体涉及一种纤维铺层模态转换超材料结构。

背景技术

模态转换是波动领域的基本物理现象之一，随着科学技术的突飞猛进，模态转换领域的研究越来越深入，且在工业及军事等各个领域均有重要的应用价值。例如结构无损检测，由于纵波易于激发但对于裂纹缺陷不敏感，因此往往利用模态转换现象将纵波转换为利于裂纹检测却难以激发的横波；医学超声成像、医学诊断，横波在人体不同组织中传播速度和能量耗散程度存在着显著差别，同样的，需要模态转换将易于激发纵波转换成难以激发的横波；在军事领域中，模态转换是多种隔振降噪结构的关键工作机理，假如潜艇结构在满足承载要求的前提下，由于剪切波易于被充分吸收，所以可把纵波转换为剪切波，显著降低被发现的风险；在高速列车、飞行器设计中，则可以用来降低内部噪声等。因此，模态转换器的转换效率的提高以及模态转换器力学性能的提高一直是模态转换领域亟待解决的问题。

目前，随着超材料引入模态转换领域，超材料各向异性设计对提高模态转换效率的研究探索起到了非常关键的作用。随着超材料模态转换现象的研究深入，已经有学者建立了理想TFPR理论、模态转换阻抗匹配理论等一些理论，基于这些优质理论，已经有全模态转换超材料被成功设计了。

但是，这一类超材料的各向异性设计是通过在基体材料上挖孔来实现的，这种方式虽然可以达到调控材料各向异性特性的目的，但破坏了原有材料的结构强度。然而，模态转换器多应用于军事、工业等对结构力学性能要求较多的领域，是以，这种各向异性设计的方式在很大程度上限制了高效率模态转换器的应用。

针对目前高效率模态转换器设计中结构强度、力学性能欠缺的现状，引进天然各向异性材料，探索新的、结构功能一体化的各向异性超材料结构设计思路，实现在兼顾力学性能的同时高效率实现模态转换，是一个非常值得探索的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种纤维铺层模态转换超材料结构的设计思路和方法；以各向异性为桥梁，将具有天然各向异性、优异力学性能、成本低、耐腐蚀性强等特点的纤维增强复合材料，与可实现高效率模态转换的超材料相结合，提出可以实现高效率模态转换又兼具有优异力学性能等特点的纤维铺层模态转换超材料结构的概念。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种纤维铺层模态转换超材料结构，该纤维铺层模态转换超材料结构：一种纤维铺层模态转换超材料结构，包括超材料以及粘结在超材料两端的基体材料，基体材料的厚度与超材料的总厚度相等，沿着波传播的方向它们排列顺序为基体材料、超材料、基体材料；所述超材料由三层以上的一种或多种类型、多个方向的单层板堆叠构成。

所述构成超材料的一种或多种类型单层板，其均由基体介质和纤维材料构成，且其类型由基体介质和纤维材料的种类以及单层板的厚度决定；其中基体介质包括环氧树脂和橡胶的任一种；其中纤维材料包括碳纤维、玻璃纤维、金属丝中的一种或多种；至多只有一种类型的单层板数量为奇数。

所述单层板按照预设的角度和顺序堆叠粘结，要求整个超材料的堆叠粘结结构关于超材料中面对称，所述角度为波传播方向与单层板主轴方向之间的夹角，该夹角为-90°～90°之间。