МЕХАНИКА И АКУСТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

В.И. Ерофеев Erofeev; И.С. Павлов Pavlov

doi:10.32326/1814-9146-2021-83-4-391-414

В.И. Ерофеев Erofeev Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики РАН», Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
И.С. Павлов Pavlov Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики РАН», Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2021-83-4-391-414

Ключевые слова: метаматериалы, микроструктура, структурное моделирование фотонные и фононные кристаллы, ауксетики

Аннотация

Представлен обзор современных публикаций об акустических и механических метаматериалах. Важнейшей характерной особенностью класса метаматериалов является наличие в них запрещенных зон частот, на которых волны в материале не могут распространяться. Такая особенность сыграла главную роль в создании акустических метаматериалов, успешно применяющихся для поглощения звука, демпфирования вибрационных и ударных воздействий, создания устройств, блокирующих распространение волн заданной частоты в определенных направлениях.

Перспективными материалами для практического применения оказались и такие представители механических метаматериалов, как ауксетики – материалы, хотя бы один из коэффициентов Пуассона которых является отрицательным. Они отличаются высокой потребительской ценностью: низкая плотность, высокая прочность, хорошие изоляционные свойства.

Помимо интереса к акустическим и механическим метаматериалам в последние годы существенно вырос интерес к созданию материалов, позволяющих управлять потоком световых или электромагнитных волн. Разработка новых метаматериалов является востребованной для авиакосмической и автомобильной техники, а также для биомедицинских приложений.

Рассмотрено два основных способа моделирования метаматериалов: континуально-феноменологическое описание и структурное моделирование. Отмечены их достоинства и недостатки. Метод структурного моделирования позволяет установить взаимосвязь в аналитическом виде между макроконстантами среды и параметрами ее микроструктуры. В результате появляется возможность не только получить представление о качественном влиянии микроструктуры среды на ее эффективные модули упругости, но и количественно оценить эти величины, а также найти области значений параметров микроструктуры, при которых среда обладает уникальными физико-механическими свойствами.