当前位置:
X-MOL 学术
›
Int. J. Solids Struct.
›
论文详情
Our official English website, www.x-mol.net, welcomes your feedback! (Note: you will need to create a separate account there.)
Voltage-dependent modulation of elastic moduli in lattice metamaterials: Emergence of a programmable state-transition capability
International Journal of Solids and Structures ( IF 3.6 ) Pub Date : 2021-01-01 , DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.10.009 A. Singh , T. Mukhopadhyay , S. Adhikari , B. Bhattacharya
International Journal of Solids and Structures ( IF 3.6 ) Pub Date : 2021-01-01 , DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.10.009 A. Singh , T. Mukhopadhyay , S. Adhikari , B. Bhattacharya
Abstract Two-dimensional lattices are ideal candidate for developing artificially engineered materials and structures across different length-scales, leading to unprecedented multi-functional mechanical properties which can not be achieved in naturally occurring materials and systems. Characterization of effective elastic properties of these lattices is essential for their adoption as structural elements of various devices and systems. An enormous amount of research has been conducted on different geometry of lattices to identify and characterize various parameters which affect the elastic properties. However, till date we can not control the elastic properties actively for a lattice microstructure, meaning that the elastic properties of such lattices are not truly programmable. All the parameters that control the effective elastic properties are passive in nature. After manufacturing the lattice structure with a certain set of geometric or material-based parameters, there is no room to modulate the properties further. In this article, we propose a hybrid lattice micro-structure by integrating piezo-electric materials with the members of the lattice for active voltage-dependent modulation of elastic properties. A bottom-up multi-physics based analytical framework leading to closed-form formulae is derived for hexagonal lattices to demonstrate the concept of active lattices. It is noticed that the Young’s moduli are voltage-dependent, while the shear modulus and the Poisson’s ratios are not functions of the applied voltage. Thus, the compound mechanics of deformation induced by external mechanical stresses and electric field lead to an active control over the Young’s moduli as a function of voltage. Interestingly, it turns out that a programmable state-transition of the Young’s moduli from positive to negative values with a wide range can be achieved in such hybrid lattices. The physics-based analytical framework for active modulation of voltage-dependent elastic properties on the basis of operational demands provide the necessary physical insights and confidence for potential practical exploitation of the proposed concept in various futuristic multi-functional structural systems and devices across different length-scales.
中文翻译:
晶格超材料中弹性模量的电压相关调制:可编程状态转换能力的出现
摘要 二维晶格是开发不同长度尺度的人工工程材料和结构的理想候选者,导致前所未有的多功能机械性能,这是天然材料和系统无法实现的。这些晶格的有效弹性特性的表征对于它们作为各种设备和系统的结构元件的采用至关重要。已经对不同几何形状的晶格进行了大量研究,以识别和表征影响弹性性能的各种参数。然而,到目前为止,我们无法主动控制晶格微结构的弹性特性,这意味着这种晶格的弹性特性并不是真正可编程的。所有控制有效弹性特性的参数本质上都是被动的。在使用一组特定的几何或基于材料的参数制造晶格结构后,没有空间进一步调整属性。在本文中,我们通过将压电材料与晶格成员集成来提出一种混合晶格微结构,以实现弹性特性的主动电压相关调制。为六边形晶格导出了一个基于多物理场的自下而上的分析框架,导致封闭式公式,以证明活性晶格的概念。注意到杨氏模量与电压有关,而剪切模量和泊松比不是施加电压的函数。因此,由外部机械应力和电场引起的复合变形力学导致对作为电压函数的杨氏模量的主动控制。有趣的是,事实证明,在这种混合晶格中可以实现杨氏模量从正值到负值的大范围可编程状态转换。基于物理的基于操作需求的电压相关弹性特性的主动调制分析框架为不同长度的各种未来多功能结构系统和设备中拟议概念的潜在实际开发提供了必要的物理见解和信心。秤。事实证明,在这种混合晶格中可以实现杨氏模量从正值到负值的可编程状态转换,范围很广。基于物理的基于操作需求的电压相关弹性特性的主动调制分析框架为不同长度的各种未来多功能结构系统和设备中拟议概念的潜在实际开发提供了必要的物理见解和信心。秤。事实证明,在这种混合晶格中可以实现杨氏模量从正值到负值的可编程状态转换,范围很广。基于物理的基于操作需求的电压相关弹性特性的主动调制分析框架为不同长度的各种未来多功能结构系统和设备中拟议概念的潜在实际开发提供了必要的物理见解和信心。秤。
更新日期:2021-01-01
中文翻译:
晶格超材料中弹性模量的电压相关调制:可编程状态转换能力的出现
摘要 二维晶格是开发不同长度尺度的人工工程材料和结构的理想候选者,导致前所未有的多功能机械性能,这是天然材料和系统无法实现的。这些晶格的有效弹性特性的表征对于它们作为各种设备和系统的结构元件的采用至关重要。已经对不同几何形状的晶格进行了大量研究,以识别和表征影响弹性性能的各种参数。然而,到目前为止,我们无法主动控制晶格微结构的弹性特性,这意味着这种晶格的弹性特性并不是真正可编程的。所有控制有效弹性特性的参数本质上都是被动的。在使用一组特定的几何或基于材料的参数制造晶格结构后,没有空间进一步调整属性。在本文中,我们通过将压电材料与晶格成员集成来提出一种混合晶格微结构,以实现弹性特性的主动电压相关调制。为六边形晶格导出了一个基于多物理场的自下而上的分析框架,导致封闭式公式,以证明活性晶格的概念。注意到杨氏模量与电压有关,而剪切模量和泊松比不是施加电压的函数。因此,由外部机械应力和电场引起的复合变形力学导致对作为电压函数的杨氏模量的主动控制。有趣的是,事实证明,在这种混合晶格中可以实现杨氏模量从正值到负值的大范围可编程状态转换。基于物理的基于操作需求的电压相关弹性特性的主动调制分析框架为不同长度的各种未来多功能结构系统和设备中拟议概念的潜在实际开发提供了必要的物理见解和信心。秤。事实证明,在这种混合晶格中可以实现杨氏模量从正值到负值的可编程状态转换,范围很广。基于物理的基于操作需求的电压相关弹性特性的主动调制分析框架为不同长度的各种未来多功能结构系统和设备中拟议概念的潜在实际开发提供了必要的物理见解和信心。秤。事实证明,在这种混合晶格中可以实现杨氏模量从正值到负值的可编程状态转换,范围很广。基于物理的基于操作需求的电压相关弹性特性的主动调制分析框架为不同长度的各种未来多功能结构系统和设备中拟议概念的潜在实际开发提供了必要的物理见解和信心。秤。