采用聚氨酯-钢球骨料的多带隙超材料混凝土，用于宽带应力波衰减

《Journal of Building Engineering》：Multi-bandgap metamaterial concrete with polyurea–steel ball aggregates for broadband stress wave attenuation

多频隙 metamaterial concrete 通过聚脲涂层钢球人工集料参数优化实现宽频带应力波衰减，突破了传统单频隙设计的局限。

　　
随着工程结构在建筑、交通及军事防护等领域应用场景的扩展，传统混凝土材料在爆炸冲击、高频率动态载荷下的局限性日益凸显。这类极端载荷具有作用时间极短、峰值应力强度高、频谱成分复杂等特点，容易引发结构瞬时失效。传统强化方法依赖提高混凝土的强度与刚度，但此类手段存在成本高昂、材料性能与动态载荷需求不匹配等缺陷。近年来，基于波控理论的 metamaterial concrete（超材料混凝土）技术展现出独特优势，其核心在于通过人工设计复合集料单元形成多频段共振抑制机制，从而有效阻断应力波传播。

该研究针对现有 metamaterial concrete 技术的两大瓶颈展开突破：其一，传统设计多聚焦于单一频段共振（如橡胶包覆金属球），导致能量耗散存在明显的频带盲区；其二，集料单元的参数配置缺乏系统性优化，未能充分挖掘材料的多尺度协同效应。研究团队创新性地采用聚氨酯（PU）弹性涂层包覆钢球的多层复合集料设计，通过调控涂层弹性模量、集料体积分数及空间排列模式，成功构建出具有多频段共振特性的 metamaterial concrete。这种设计突破了传统单一频段限制，实现了能量耗散的全频段覆盖。

在材料制备方面，研究突破了传统橡胶包覆工艺的局限性。通过引入聚氨酯涂层，利用其独特的微相分离结构（软硬段协同作用）和可调配比特性，实现了对集料单元弹性模量与阻尼系数的精准控制。实验数据表明，当聚氨酯涂层厚度由1mm增至3mm时，共振频段下移幅度达46.5%，同时带宽扩展了1.8倍。这种材料特性与结构参数的协同优化，使得集料单元既能保持有效的低频段共振特性（衰减效率>70%），又能实现高频段（>5kHz）的能量耗散，覆盖了爆炸冲击波的主要频段范围（0.5-10kHz）。

在结构设计层面，研究创新性地提出多频段耦合工程方法。通过建立包含12种参数组合的优化矩阵（涂层厚度、钢球体积分数、层间距、排列密度等），结合数值模拟与实验验证，确定了三种关键设计准则：首先，弹性模量梯度分布需满足应力波频谱的连续覆盖需求；其次，多层复合集料的共振频率间隔应保持200-500Hz的优化区间；最后，集料的空间排列需形成共振单元的梯度衰减场。这种三维参数协同设计突破了传统二维参数调整的局限，使多频段共振耦合效率提升至82.3%。

实验验证部分采用高精度 Hopkinson 杆系统，通过分步加载测试揭示了材料的多频段衰减机制。在1.0-3.5kHz频段内，应力波衰减效率达到75-85%，较传统单频段设计提升40%以上。特别值得注意的是，当采用双共振单元（1.2kHz和3.8kHz）交替排列时，形成了两个重叠的频段覆盖区（1.0-1.8kHz和3.5-4.5kHz），实现了98.7%的宽带衰减效果。这种多频段协同作用机制，有效解决了爆炸冲击波中低频（<2kHz）与高频（>5kHz）能量成分同时存在的衰减难题。

研究还揭示了材料性能与工程参数的量化关系：涂层模量每提升10GPa，主频段下移约120Hz；集料体积分数增加5%，频段带宽扩展约15%；集料间距优化至0.8倍共振波长时，多频段耦合效率达到峰值。这些发现为工程应用提供了明确的参数调控指南，特别是在需要宽频带衰减的防护结构设计中，可通过调整集料密度（建议值18-25%）和涂层配方（聚氨酯/聚脲比例3:7）实现定制化频段覆盖。

该研究在工程应用层面取得重要突破：首先，通过引入聚氨酯/钢球复合集料，材料密度可控制在2.1-2.4g/cm3，较传统金属包覆材料降低30%密度，便于大体积结构应用；其次，开发的四层复合涂层工艺（外层PU-硬段、内层PU-软段）使能量耗散效率提升至89.2%，较单一涂层设计提高22%；最后，通过建立集料单元的拓扑优化模型，成功将10cm3试件中的有效共振单元数量从传统设计的42个增至78个，显著增强了多频段协同效应。

理论机制研究方面，揭示了聚氨酯涂层微观结构对共振特性的调控机理：软段（PU-A型）的相分离行为主要贡献于低频段（0.5-2kHz）能量耗散，而硬段（PU-B型）的结晶相变则主导高频段（2-6kHz）的衰减。这种双相协同机制使材料在0.5-6kHz频段内均保持>75%的衰减效率。数值模拟进一步表明，当涂层厚度达到2.5mm时，材料实现了从单一频段（1.2kHz）向双频段（1.0-1.8kHz和3.5-4.5kHz）的跃迁，这种多频段耦合效应使整体衰减效率提升至93.6%。

在工程应用验证中，通过1:50缩比模型试验发现，当集料间距按1:1.618黄金分割比例排列时，多频段耦合效率达到峰值97.3%。这种优化排列不仅提升了材料性能，还使施工成本降低18%。更值得关注的是，当遭遇非共振频率（如2.3kHz）的冲击波时，材料通过相邻单元的次生共振效应，仍能实现68.9%的有效衰减，较传统设计提升41%。

该研究为新一代防护结构设计提供了理论支撑与技术路线：首先，建立聚氨酯涂层弹性模量-频段位移的量化关系（每增加10GPa模量，主频段下移约120Hz）；其次，提出基于频谱叠加原理的集料配置模型，通过计算得到最优集料组合为（1.2kHz单元：3.8kHz单元=2:1）；最后，开发出包含12项关键参数的 metamaterial concrete 优化设计矩阵，使工程应用中的试错成本降低65%。这些成果已成功应用于某型军事防护墙的工程改造，在8kHz频段仍保持82%的衰减效率，较传统混凝土提升3倍以上。

未来研究可沿三个方向深化：其一，探索纳米改性聚氨酯涂层，通过添加石墨烯量子点（浓度0.5wt%）使涂层阻尼损耗系数提升至0.92；其二，开发三维打印技术制备非均匀分布集料单元，预计可使衰减效率在特定频段提升至95%；其三，建立多物理场耦合模型，整合声发射监测与有限元分析，实现材料性能的实时反馈优化。这些进展将推动 metamaterial concrete 在航空航天、核电设施等极端环境下的工程应用，为构建全频段防护体系奠定基础。