张昭 张磊 郭江川

摘要：声子晶体是一种超材料，通过人工设计的结构单胞可以形成周期性结构阵列，实现从Hz到THz频率范围内波的调谐和控制，在工业领域具有良好的应用前景。通过声子晶体实现波的负折射、负反射、自准直等现象的定量控制需要设计具有复杂结构的声子晶体单胞，而增材制造为这种声子晶体提供了制备技术。文中回顾了声子晶体的发展和工业应用、声子晶体的增材制造技术及制造中面临的问题，探讨了增材制造工艺参数和声子晶体服役性能之间的关联性。通过相场法模拟了工艺参数对熔池凝固的影响，采用搅拌摩擦增材制造制备了声子晶体单胞，比较了加工工艺所导致的结构变形对声子晶体带隙特性的影响。研究表明，增材制造工艺会影响所制备声子晶体结构中材料的微观结构、力学性能、密度和结构变形等，从而使声子晶体的服役性能与理论设计出现偏差，对增材制造工艺的控形与控性有助于量化控制所制备声子晶体的服役性能和带隙特性。

关键词：增材制造;数值模拟;相场法;变形;微观结构

0    前言

作为一种超材料，声学/热学超材料也称为声子晶体，在波调控领域展现出了超出常规材料的力学性能，通过人工设计声子晶体的结构——单胞的周期性阵列，可以在Hz～THz频率范围内对波进行人工控制[1]，设计具有独特物理性能的人工晶体，实现波的禁带、负折射、负反射和自准直等超常规性能，以此为基础，设计和制备基于波控制的新型元器件，包括声学二极管[2]、声学斗篷[3]、热力学斗篷[4]等。……