综述：聚合物超材料用于振动隔离的增材制造研究

这篇综述系统阐述了聚合物超材料（metamaterials）在振动隔离领域的应用进展，重点探讨了三种核心机制（声子晶体、局域共振、能量耗散）的协同作用，并分析了增材制造（AM）技术（如MJ/VP/PBF）如何实现复杂结构精准制备。文章创新性地提出将仿生设计（bionic structures）与传统智慧（如古建筑榫卯）融入超材料开发，为多频段自适应振动控制提供了新思路。

　　

振动隔离超材料的作用机制

振动隔离是机械工程中的关键问题，传统阻尼材料难以满足复杂工况需求。超材料通过特殊设计的微观结构表现出天然材料不具备的物理特性，其振动隔离机制主要依赖三种原理：

声子晶体效应
周期性排列的异质结构通过布拉格散射（Bragg scattering）形成禁带（bandgap），当弹性波波长与结构周期匹配时会产生相消干涉。例如，200μm周期的PDMS声子晶体可阻断2.5-5kHz高频振动，其禁带位置可通过调节散射体几何参数精确调控。

局域共振机制
通过内置"质量-弹簧"谐振单元（如手型谐振器），在目标频段（如30-80Hz）引发反向耦合振动。这种机制对低频振动特别有效，其谐振频率由单元质量与刚度决定，与结构尺寸无关。

能量耗散途径
包括粘弹性耗散（分子链滑移产热）和界面摩擦耗散（层间相对运动）。例如，TPU材料的损耗因子（tan δ）达0.2-0.4，比不锈钢高70倍；而PLA-TPU复合结构通过界面摩擦可实现340Hz宽频带隔离。

聚合物材料的独特优势

聚合物基超材料凭借轻质（密度1.1-1.3 g/cm³）、高阻尼和易加工特性成为理想选择：

• PDMS：超高损耗因子（0.5-0.7）但限于高频应用
• TPU：平衡打印性能与阻尼效果，但耐温性差（<120°C）
• PA12：SLS成型后抗压强度达15-20MPa，适合承载-隔振一体化设计

增材制造技术突破

不同AM工艺各具特色：

• 材料喷射（MJ）：16μm超高精度，适合Voronoi多孔模型等精细结构
• 光聚合（VP）：TPP技术实现100nm分辨率，可制备MHz级微机电隔振器
• 粉末床熔融（PBF）：尼龙12晶格通过三周期极小曲面（TPMS）设计获得132%禁带宽度比
• 熔融沉积（FDM）：低成本制备"框架-弹簧-质量"系统，在1265Hz处形成全三维禁带

前沿发展方向

动态频带调控
形状记忆聚合物（SMP）通过温度触发刚度变化，实现"零刚度"自适应隔振。如三层阶梯结构可通过热响应调整禁带频率。

仿生结构创新
猫科动物坠落缓冲机制启发的多边形骨架结构，通过调节"脊柱"伸缩性实现正/负刚度切换，有效抑制冲击振动。

传统智慧融合
中国古建筑榫卯结构（如斗拱）通过木材嵌合实现能量耗散，为环保型聚合物超材料设计提供新范式。

跨文化设计启示

日本"影分身"理念启发多模态谐振单元协同工作，如船舶轴系可实时调节局部共振频率；而道家"刚柔并济"思想则体现在碳纤维增强框架与橡胶阻尼层的梯度复合设计中，兼顾承载与隔振需求。这些创新思路将推动下一代智能隔振材料的发展。