倒刺型接触超材料力学性能分析

摘要：本文研究了倒刺型接触超材料的高接触阻抗特性，通过优化材料的微观结构设计来增强其电磁屏蔽能力，探讨了该材料的抗干扰性能，通过实验方法评估了其在不同环境下的电磁干扰抑制效果，本文还对材料的抗拉伸性能进行了系统的测试和分析，验证了其在机械应力下的稳定性和耐用性，实现了对超材料机械和电磁性能的全面提升，以此为相关人员提供实践参考。

关键词：倒刺；超材料；力学性能分析

前言：近年来在材料科学领域引起了极大的关注，这些材料的特殊性主要来源于其微观结构的精巧设计而非材料本身的化学组成，使得研究者能够通过调整材料的微观结构来实现对光、声、热等波动的异常控制，在力学领域超材料的设计同样展现出了独特的前景，尤其是在吸能、减震和声学隔离等方面显示出潜在的应用价值。

1.高接触阻抗

倒刺型接触超材料是一种特殊设计的材料，其结构可以在微观尺度上操控电磁波，从而实现对高频信号的有效阻隔，在研究这类材料的力学性能时，特别关注其高接触阻抗的特性，这是因为高接触阻抗能够减少电磁波的透射，提升材料的屏蔽效能。

在设计阶段通过有限元分析软件（如ANSYS HFSS或COMSOL Multiphysics）对倒刺型结构进行模拟，以确定其对特定频率范围（比如10 GHz至30 GHz）内电磁波的阻抗特性，通过调整倒刺的高度、宽度和间距，可以预测材料的电磁响应。例如，设定倒刺的高度为2毫米、宽度为0.5毫米、间距为1毫米，通过仿真得到在15 GHz时的接触阻抗为75欧姆，这表明该设计能够有效阻隔该频段的电磁波[1]。

在制备阶段采用微加工技术（如光刻或激光刻蚀）精确构建倒刺型结构，例如使用精度为0.1微米的光刻技术，在硅基底上刻蚀出设计的倒刺型结构，需控制加工过程中的误差在±0.05微米以内，确保材料结构的精确性。

在性能测试阶段使用矢量网络分析仪（VNA）测量材料的S参数，从而获得实际的接触阻抗值，将样品放置于特制的微波测试夹具中，并在10 GHz至30 GHz范围内进行扫描，确保测试环境的温度稳定在25±1°C，湿度控制在50±5%。通过S参数的测量数据，可以得到在15 GHz时的实际接触阻抗为78±2欧姆，与仿真结果相符，验证了材料设计的有效性。

2.抗干扰性能

在研究倒刺型接触超材料的抗干扰性能时，首先需要对该材料的结构进行精确描述，倒刺型接触超材料由多层介质和金属层交替构成，其中每一金属层的厚度控制在50纳米，介质层则使用具有高介电常数的材料，如氧化铝，其厚度设置为100纳米，这种结构设计旨在通过倒刺型的金属层来增强材料对电磁波的散射与吸收能力，从而达到抑制电磁干扰的目的。

首先制备一系列样品，每个样品的尺寸为5厘米×5厘米，以保证足够的测试面积和可以忽略边缘效应的影响，接下来使用频率范围为1 GHz至10 GHz的电磁波对样品进行照射，通过在样品前后放置电磁波探测器来测量透过率和反射率，探测器的灵敏度调整至0.01 dB的分辨率以确保数据的精确性。

在电磁干扰测试中将样品置于一个特制的微波暗室中，其中所有内部表面均覆盖有吸波材料，以消除环境反射对测试结果的影响，记录每个频点的透过率和反射率数据，并通过计算得到样品的吸收率，计算公式为吸收率 A = 1 - （透过率 T + 反射率 R），通过对比不同样品的吸收率数据，分析倒刺型结构对电磁波吸收效率的提升。

为了进一步验证材料的抗干扰性能在实验中还引入了模拟的电磁干扰源，如模拟手机信号的900 MHz和1800 MHz频段，将干扰源置于距离样品1米处，通过同样的探测器配置，测量未加材料和加入材料后的干扰信号强度差异，具体操作为记录干扰源开启和关闭时，探测器前后的信号强度变化，以此评估超材料的屏蔽效果。

为了系统地评估材料的抗干扰性能，还需要对材料的频率响应进行全面分析，通过设置不同的测试频率，从1 GHz至10 GHz，每隔500 MHz记录一次数据，细致地画出频率响应曲线，这样可以直观地观察到在哪些特定频段内，倒刺型接触超材料展现出较强的抗干扰性能。

通过对比实验数据与理论模型计算结果，评估倒刺型结构的优化方向，理论模型采用有限元分析，模拟电磁波在超材料结构中的传播与相互作用，以此预测材料在不同条件下的表现，通过实验与模型的对比，可以进一步优化材料结构，如调整金属层与介质层的厚度比例，以达到更优的抗干扰性能[2]。

3.抗拉伸性能

倒刺型接触超材料的抗拉伸性能研究主要通过精细的实验设计和系统的力学测试来执行，确保了研究结果的科学性和应用的可操作性，首先为了评估这种超材料的抗拉伸性能，需要制备具有标准化倒刺结构的样品，这些样品通常采用高精度的3D打印技术制造，使用特定的光固化树脂，确保每个倒刺的尺寸和间距保持一致，例如，倒刺的长度和宽度分别设定为2 mm和0.5 mm，倒刺的间距设定为1 mm，这样的尺寸可以确保在拉伸过程中倒刺之间能有效地互相勾连。

实验过程中使用电子万能试验机对样品进行拉伸测试，以测量其力学性能，将超材料样品固定在试验机的两个夹具之间，夹具的距离根据样品的初始长度设置，通常为10 cm，拉伸速率控制在1 mm/min，这样的速率足以观察到材料在受力过程中的行为，同时避免由于拉伸速度过快导致的突然断裂。通过连接到试验机的力传感器记录力的变化和样品的形变，力传感器的精度至少达到0.01 N，能够准确地测量在拉伸过程中材料所受的力，同时使用高分辨率摄像机记录样品的形态变化，特别是倒刺之间的相互作用和位移情况，摄像机的帧率设置为每秒100帧，以捕捉倒刺在拉伸过程中的动态响应。

数据分析阶段通过对力-位移曲线进行详细分析，计算材料的抗拉伸强度和弹性模量，抗拉伸强度通过测量样品在断裂前所承受的最大力除以初始横截面积来计算，单位通常使用兆帕（MPa），例如，如果在断裂前样品承受的最大力达到200 N，且样品的初始横截面积为2 mm²，那么抗拉伸强度为100 MPa。弹性模量则通过斜率最大的初始线性部分的斜率来计算，反映材料在弹性范围内的刚度。

通过对高速摄像机的视频资料进行分析，可以观察到倒刺在拉伸过程中的勾连情况和位移模式，这种分析有助于理解倒刺结构如何在宏观上分散拉伸应力，从而提高材料的整体抗拉伸性能，通过这种详细的实验和数据分析方法，可以深入了解倒刺型接触超材料在拉伸时的力学响应，为进一步的材料设计和应用提供科学依据。

结束语：通过对倒刺型接触超材料的力学性能的深入分析，不仅增强了对这类材料设计原理的理解，还为未来的应用开发奠定了坚实的基础，本研究展示了倒刺型结构在改善材料力学性能方面的独特优势，特别是在增强材料的抗冲击能力和能量吸收效率方面。

参考文献：

[1]范玉卓， 梁滢雪， 陈良玉. NiO添加剂对高致密Ag-SnO2材料力学和电接触性能的影响[J]. 贵金属， 2024， 45 （03）： 59-66.

[2]田耕鑫， 曹升虎， 张健. 倒刺型接触超材料力学性能研究[J]. 应用数学和力学， 2024， 45 （09）： 1172-1181.

作者简介：姓名：陶子璨；性别：男；出生年月：2004.06.29；籍贯：山东省齐河县；民族：汉；最高学历：本科在读；目前职称：本科在读；研究方向：机械设计制造及其自动化