西安交大利用超聲實現超材料光固化3D打印
就在2017新年伊始，哈佛John A.保爾森工程和應用科學學院和哈佛Wyss威斯生物啟發工程研究所的研究人員在哈佛大學通過多材料3D打印技術開發出可重構超材料的基礎設計框架軟件。
國內在超材料方面也涌現出積極的研究，根據市場研究表明，活躍的科研單位有東南大學，中國人民解放軍空軍工程大學，西安交通大學，北京交通大學等。本期，3D科學谷與谷友一起來了解西安交大如何將液態光敏樹脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結構，最終形成固態光敏樹脂為基材并包裹具有二維空間拓撲排序人造微結構的超材料。
超聲波與超材料
超材料由于具有天然材料不具備的超常物理性質，從而擺脫了傳統材料諸多表觀自然規律的限制，極大拓展了電磁學、光學、聲學等學科的研究范疇，在航天、航空、電子、通信、生物醫學領域里展現了巨大的潛在價值和應用前景。超材料本質上為人工復合結構或復合材料，其通過在亞波長的材料特征尺度上進行有序結構設計，實現賦予的特定功能。超材料一般由有序排列的多個超材料單元組成，而每個超材料單元包括非金屬基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的人造微結構，具有不同于基板本身的電、磁、力學特性。因此，整個超材料在宏觀上對電場、磁場及聲場呈現出特殊的響應特性。
超聲波作為一種機械波，具有動量和角動量，通過對聲場中物體的散射效應，產生作用于其上的輻射力。微顆粒或者微構件在輻射力場的作用下，穩定的俘獲在合成聲場中的聲勢阱即聲壓節點位置，近年來超聲波的這種力學特性在液體環境中微顆粒的俘獲、聚集及分揀方面已證實了較好的應用潛力。另外，相控陣超聲技術的突飛猛進為合成具有任意聲壓空間分布的聲場提供了便捷手段。
西安交大通過相控陣超聲陣列在液態光敏樹脂中營造空間可控聲場，實現光固化制造環境中規則排布微結構的非接觸夾持，從而形成既定拓撲結構，解決現有基于立體光固化成型的3D打印設備無法實現兩種不同材質制備同一結構的問題。根據計算機仿真數據得到的微結構空間排布生成目標聲場參數及其對應的相控陣超聲控制參數，實現光敏樹脂中既定拓撲結構的非接觸式穩定加持。
固體微粒為金屬微球、高分子微球或碳納米管，其特征尺寸介于20-100微米。固體微粒分散于液態光敏樹脂前進行表面活性處理，使其易于在液態光敏樹脂中分散，固體顆粒在液態光敏樹脂中的體積分數不超過1％。
超聲波用于基于光敏樹脂固化工藝用于復合材料的制造在國際上不乏嘗試者。根據中國3D打印網的市場研究，英國Bristol大學通過超聲波來定位數以百萬計的微小增強纖維，形成一個微觀的加固框架，超聲波的作用與激光束同時作用，通過超聲波用來誘導材料的微觀結構排列，通過激光束用來固化環氧樹脂，從而制造出纖維增強復合材料。
參考資料：CN106079439A
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