史玉升教授頂刊綜述：超材料的增材制造技術與發展趨勢！
時間：2024-02-01 08:54 來源：增材制造技術前沿 作者：admin 閱讀：次
超材料（Metamaterials，MMs）是指自然材料所不具備的特殊物理性質（如電磁/聲學斗篷、零/負泊松比、負折射率等）的人工結構或復合材料，這些奇特的物理特性可以通過精心設計的（準）周期性結構或多材料組合來實現，在國防工業和民生領域都有著廣闊的應用前景。增材制造技術由于在制備復雜結構方面具有巨大優勢，為制備超材料提供了有效技術手段，為此，華中科技大學史玉升教授團隊在《Materials
Today》（IF=31.041）上發表論文，對超材料的增材制造技術與發展趨勢進行論述，為超材料在工程機械、航空航海和生物醫療等領域的應用提供了思路，具體情況總結如下。
1. 明晰了超材料的分類
近年來，超材料受到越來越多科研工作者的關注，各種各樣具有不同物理特性的超材料被設計出來。根據超材料的功能不同，目前超材料大致可分為四類：電磁超材料、聲學超材料、熱學超材料和機械超材料，根據其具體的原理和應用領域不同，將上述四類超材料進一步細分為：（1）電磁隱身超材料、電磁吸收超材料、太赫茲電磁超材料等；（2）聲隱身超材料、聲波吸收超材料、聲波聚焦超材料等；（3）熱流控制超材料、熱隱身超材料和熱輻射超材料等；（4）吸能超材料、負泊松比超材料、最大體模量超材料等，如圖1所示。
2. 指出了增材制造不同類型超材料的研究現狀和發展趨勢
根據成形材料的形態，增材制造工藝可分為絲狀、粉狀、液狀、片狀，適用材料包括金屬、聚合物和陶瓷，以及他們的復合材料，成形尺寸從納米級到米級，可以極大地滿足大多數超材料對于成形精度與尺寸的要求。然而，需要注意的是，不同的增材制造技術具有不同的特性，成形材料、尺寸、分辨率和表面質量等也都有顯著差異。在超材料的增材制造方面，要根據所需材料的結構和特性選擇合適的工藝，如圖2所示。
3. 3D打印五模超材料
五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMMs），也稱為五模結構，是一種特殊的工程結構，其彈性矩陣中僅有一個特征值不為零。五模超材料與常規點陣結構相比，具有更強的可設計性、類流體特征和多物理性能協調能力，因此具有更加廣闊的應用價值。然而，由于五模超材料的幾何形狀高度復雜，傳統制造工藝難以實現。為此，該團隊近年來采用增材制造技術成形五模超材料，通過均勻化等效性能方法以蜂窩結構和金剛石晶格構型為基礎，得出了幾何參數對力學性能的影響規律和結構設計對力學及傳質性能的協同調控機制，設計并制備了兩種形式的五模超材料：二維蜂窩狀五模超材料和三維金剛石五模超材料，該五模超材料具有與水相似的聲學性能，具有“隱身”效果，在水下聲學工程領域有較大的應用前景。此外，優化三維五模超材料幾何形狀，可解除模量、強度與滲透率之間的耦合關系，從而實現力學和傳質性能的協同調控，在生物支架工程領域具有較大應用潛力。
盡管增材制造超材料的研究已取得了部分結果，但要取得更好的效果，還有很多科學問題亟待解決。在超材料的設計方面，一是需要將超材料的維度從二維擴展到三維，現有的MMs主要采用二維設計，可取得良好的仿真和實驗效果，但在實際應用中，二維超材料的功能在垂直于二維平面的方向上會完全失效；二是需要降低超材料的各項異性，使其在不同方向上具有相同的功能；三是可以設計具有多種功能的超材料，如同時具有聲波吸收和能量轉換的功能。在增材制造技術方面，一是需要開發出能夠同時成形性質差異較大的多材料增材制造技術，以滿足超材料的多材料體系中異質材料的成形需求；二是需要開發出容易去除的支撐材料，以確保超材料的復雜結構具有足夠成形精度的同時不受支撐去除的困擾；三是解決增材制造技術中成形精度和成形尺寸之間的矛盾，在提高制造精度的同時成形出大尺寸的超材料構件。
1. 明晰了超材料的分類
近年來，超材料受到越來越多科研工作者的關注，各種各樣具有不同物理特性的超材料被設計出來。根據超材料的功能不同，目前超材料大致可分為四類：電磁超材料、聲學超材料、熱學超材料和機械超材料，根據其具體的原理和應用領域不同，將上述四類超材料進一步細分為：（1）電磁隱身超材料、電磁吸收超材料、太赫茲電磁超材料等；（2）聲隱身超材料、聲波吸收超材料、聲波聚焦超材料等；（3）熱流控制超材料、熱隱身超材料和熱輻射超材料等；（4）吸能超材料、負泊松比超材料、最大體模量超材料等，如圖1所示。
圖1. 超材料的分類與典型結構
2. 指出了增材制造不同類型超材料的研究現狀和發展趨勢
根據成形材料的形態，增材制造工藝可分為絲狀、粉狀、液狀、片狀，適用材料包括金屬、聚合物和陶瓷，以及他們的復合材料，成形尺寸從納米級到米級，可以極大地滿足大多數超材料對于成形精度與尺寸的要求。然而，需要注意的是，不同的增材制造技術具有不同的特性，成形材料、尺寸、分辨率和表面質量等也都有顯著差異。在超材料的增材制造方面，要根據所需材料的結構和特性選擇合適的工藝，如圖2所示。
圖2. 典型增材制造工藝在成形各種尺寸超材料時的特點。三角形、圓形和正方形分別表示最大零件尺寸、最小零件尺寸和成形分辨率，符號的位置表示與波長對應的尺寸，兩個符號之間的距離表示各種增材制造技術可實現的單元數量。
3. 3D打印五模超材料
五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMMs），也稱為五模結構，是一種特殊的工程結構，其彈性矩陣中僅有一個特征值不為零。五模超材料與常規點陣結構相比，具有更強的可設計性、類流體特征和多物理性能協調能力，因此具有更加廣闊的應用價值。然而，由于五模超材料的幾何形狀高度復雜，傳統制造工藝難以實現。為此，該團隊近年來采用增材制造技術成形五模超材料，通過均勻化等效性能方法以蜂窩結構和金剛石晶格構型為基礎，得出了幾何參數對力學性能的影響規律和結構設計對力學及傳質性能的協同調控機制，設計并制備了兩種形式的五模超材料：二維蜂窩狀五模超材料和三維金剛石五模超材料，該五模超材料具有與水相似的聲學性能，具有“隱身”效果，在水下聲學工程領域有較大的應用前景。此外，優化三維五模超材料幾何形狀，可解除模量、強度與滲透率之間的耦合關系，從而實現力學和傳質性能的協同調控，在生物支架工程領域具有較大應用潛力。
圖3.增材制造的五模超材料。二維五模超材料（A-B）結構構型與單胞；（C）頻散曲線；（D）聲場模擬；（E-F）理論力學受力分析結果；（G）相對模量和（H）相對強度與相對密度的關系曲線；三維五模超材料（a-b）結構構型與單胞；（c）壓縮應力應變曲線；（d）壓縮模量與體積分數的關系；（e-g）不同構型超材料傳質過程速度分布云圖；（h）復合五模超材料生物支架結構
盡管增材制造超材料的研究已取得了部分結果，但要取得更好的效果，還有很多科學問題亟待解決。在超材料的設計方面，一是需要將超材料的維度從二維擴展到三維，現有的MMs主要采用二維設計，可取得良好的仿真和實驗效果，但在實際應用中，二維超材料的功能在垂直于二維平面的方向上會完全失效；二是需要降低超材料的各項異性，使其在不同方向上具有相同的功能；三是可以設計具有多種功能的超材料，如同時具有聲波吸收和能量轉換的功能。在增材制造技術方面，一是需要開發出能夠同時成形性質差異較大的多材料增材制造技術，以滿足超材料的多材料體系中異質材料的成形需求；二是需要開發出容易去除的支撐材料，以確保超材料的復雜結構具有足夠成形精度的同時不受支撐去除的困擾；三是解決增材制造技術中成形精度和成形尺寸之間的矛盾，在提高制造精度的同時成形出大尺寸的超材料構件。
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