界面效应对二维声子晶体材料能带结构的影响

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声子晶体以其独特的综合性能和潜在的应用前景,受到越来越多的研究机构的高度重视。作为一种由两种或以上弹性材料周期性排布形成的复合材料,基体一散射体界面的总面积是不能忽视的,基体.散射体界面效应对声子晶体带隙结构可能产生较大的影响。在通常的理论及数值研究中,基体和散射体间接触界面多被处理为固结界面。但在实际的生产过程中,由于工艺误差会造成接触界面的不完全固结;而有时候为了满足某方面的功能需求,也会将接触界面处理为不完全固结边界,但是关于基体.散射体接触界面对禁带结构影响的研究并未深入展开。本文应用有限差分方法(FDTD),分别讨论了在固结接触界面,径向接触界面和切向接触界面下二维声子晶体材料中X-Y模式弹性波的频散特性。针对环氧树脂/铝正方形点阵系统,首先将界面处理为固结接触,研究了散射体形状(正方形,圆形,三角形)和填充率对二维声子晶体频散特性的影响。其次,将界面简化为径向和切向接触界面,针对圆形散射体,讨论了界面刚度系数和填充率对能带结构的影响,并与固结界面接触得到的结果进行比较,得到以下结论:1.界面为固结接触时,在填充率相同的情况下,散射体的形状对固-固二维声子晶体的频散特性有影响,但总体影响相对较小;随着填充率的增加,其中心频率呈现单调递增的趋势;而带隙宽度先是随着填充率的增加而增大,在填充率达到0.6时,带隙宽度有所下降;相对带宽的变化趋势与带隙宽度的变化趋势基本相同;2.界面为径向接触时,随着界面接触刚度的增加,带隙宽度单调增加,中心频率也单调递增。在界面接触刚度一定的情况下,填充率越大,越容易形成带隙;而在填充率一定的情况下,与固结界面计算结果对比可知,径向接触界面下带隙的相对宽度较小,且随着填充率的增加,两种接触情况下相对带宽差值越来越大,在填充率达到0.6时取得最大值;3.界面切向接触时,不会产生完全带隙,但在ΓX和XM方向上会产生方向带隙。
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