本帖最后由 小軟熊 于 2017-3-15 17:08 編輯
超材料(Metamaterials)是一種人工設(shè)計的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料,具有很多自然材料不具備的超常物性,如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、逆Cerenkov輻射、負(fù)泊松比、負(fù)熱膨脹等。超材料的基本物性突破了構(gòu)成材質(zhì)的限制,其基本物性取決于自身精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu):微結(jié)構(gòu)單元的特性以及微結(jié)構(gòu)單元的空間分布。
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超材料的概念源頭可以追溯到1967年由前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago提出的“左手材料”。普通介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正值,電磁波在其中的傳播滿足“右手定則”,稱為“右手材料”。Veselago從理論上研究了介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率,同時為負(fù)值時材料的電磁學(xué)性質(zhì),表明電磁波在其中傳播滿足“左手定則”,稱為“左手材料”,只是由于沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,加之當(dāng)時處于功能材料發(fā)展初期,人們對Veselago的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。2001年,美國加州大學(xué)圣迭戈分校的Smith等物理學(xué)家根據(jù)英國帝國理工大學(xué)的John Pendry教授提出的構(gòu)造左手材料的巧妙設(shè)計方法,利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì),從而證明了左手材料的存在。2002年,麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性,并稱這種人工介質(zhì)可能用于電磁波隱身等。
超材料的發(fā)現(xiàn)為材料設(shè)計領(lǐng)域提供了一種全新的思路,其重大科學(xué)意義以及廣闊的應(yīng)用前景對未來科技、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展都將產(chǎn)生極其重要的影響。2010年,美國《科學(xué)》雜志將超材料列為21世紀(jì)前10年自然科學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破之一。超材料微結(jié)構(gòu)加工工藝技術(shù)是超材料能否走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵,目前超材料加工手段主要包括激光直寫、電子束曝光、離子束曝光、紫外曝光等微納米加工技術(shù)。2011年,康奈爾大學(xué)烏力˙韋斯勒領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊提出了一種制造3D超材料的新方法,即利用化學(xué)方法讓嵌段共聚物自我組裝成納米結(jié)構(gòu)。近年來,增材制造或3D打印技術(shù)作為一種數(shù)字化、直接化的制造技術(shù),從形狀上來說可以實(shí)現(xiàn)“所想即所得”,從材料來說可以實(shí)現(xiàn)材料的數(shù)字化復(fù)合或組合,從尺度上來說可實(shí)現(xiàn)從納米級到米級結(jié)構(gòu)的制造,從而為超材料的加工實(shí)現(xiàn)提供了一種快速通道。本文重點(diǎn)結(jié)合有關(guān)基于數(shù)字化的增材制造過程制備“超材料”的研究案例,揭示3D打印和超材料融合發(fā)展的重要價值。
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熱力學(xué)超材料的3D打印
固體材料通常會隨溫度變化產(chǎn)生膨脹或收縮行為,然而材料的熱脹冷縮會降低精密部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性,甚至破壞材料的功能特性。在光學(xué)儀器、微電子器件、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域,迫切需要形狀和尺寸不隨溫度變化的結(jié)構(gòu),以保證其構(gòu)件具有高的尺寸穩(wěn)定性、精密性和長的使用壽命。零膨脹、近零膨脹和負(fù)膨脹材料成了材料科學(xué)的一個重要分支學(xué)科,并成為材料科學(xué)中一大研究熱點(diǎn)。
材料學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)研究表明:材料的熱膨脹性能由正常的晶格振動決定,但同時還受其他物理效應(yīng)的影響。當(dāng)其他因素使單胞的體積隨溫度升高而縮小,并且作用大于正常原子非簡諧振動的效果時,材料表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹性能。經(jīng)過不斷研究,科學(xué)家們陸續(xù)報道了各種低熱膨脹材料以及負(fù)熱膨脹材料,比如鎢酸鋯(ZrW2O8)系列負(fù)熱膨脹材料、鋰霞石(LiAlSiO4)、磷酸鋯鈉(NaZr2P3O12)等。但是由于反常熱膨脹材料的熱力學(xué)性質(zhì)研究相對較少,從而給合成制備熱膨脹系數(shù)可調(diào)材料帶來困難。2016年10月25日,美國勞倫斯利物莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)發(fā)布了研究成果,該實(shí)驗(yàn)室工程師和麻省理工學(xué)院(MIT)、南加州大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校科學(xué)家合作,首次利用3D打印技術(shù)制備出受熱收縮的超材料結(jié)構(gòu),如圖1所示。這個新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復(fù)之前體積,能反復(fù)使用,適用于制作溫度變化較大環(huán)境中所需要的精密操作部件,如微芯片和高精光學(xué)儀器等。
該負(fù)膨脹系數(shù)超材料的微結(jié)構(gòu)如圖2所示,該微晶結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈感來自于具有八面體原子結(jié)構(gòu)耦合運(yùn)動機(jī)制的負(fù)膨脹系數(shù)材料。該立體星型包含橫梁和框架兩個部分,橫梁的材質(zhì)是摻銅納米顆粒的樹脂,框架的材質(zhì)是樹脂,受熱時柔軟的樹脂先伸長,直到加固的橫梁也被拉動,使得連接點(diǎn)處向內(nèi)拉伸,帶動整個晶格結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉伸,從而表現(xiàn)出獨(dú)有的熱收縮特性。該研究成果無疑為通過設(shè)計精巧結(jié)構(gòu)和選擇匹配材料組分而創(chuàng)造出負(fù)膨脹系數(shù)材料開辟了一個嶄新道路。
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圖1負(fù)膨脹系數(shù)超材料
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圖2 負(fù)膨脹系數(shù)超材料的微晶結(jié)構(gòu) 在制造所設(shè)計的負(fù)膨脹超材料結(jié)構(gòu)時,麻省理工學(xué)院的研究人員采用了投影式微立體光刻(Projection Micro-StereoLithography,PμSL)3D打印技術(shù),其原理如圖3所示。工作時,先將不同材料的液滴噴在一個透明窗口上,再通過數(shù)字投影機(jī)把圖案分別投射在需要固化的液滴背面,被光照過的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu),附著在一個樣品支架上,窗口上沒有曝光的液滴則被清除,如此反復(fù),可以得到所需的復(fù)合材料。
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圖3 投影式微立體光刻3D打印原理 彈性力學(xué)超材料的3D打印
一般常見彈性固體的泊松比ν=0.3~0.5,即在拉伸時材料的橫向發(fā)生收縮。而負(fù)泊松比效應(yīng),是指受拉伸時,材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹;而受壓縮時,材料的橫向反而發(fā)生收縮。盡管負(fù)泊松比材料在自然界中就存在,例如黃鐵礦、砷、鎘和奶牛乳頭部分的皮膚就是天然的負(fù)泊松比材料。但是負(fù)泊松比材料作為一種可設(shè)計的結(jié)構(gòu)材料,直到1987年美國愛荷華大學(xué)的Lakes首次通過對普通聚合物泡沫的處理得到具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比材料,這一領(lǐng)域內(nèi)的研究開始蓬勃發(fā)展起來。
負(fù)泊松比材料由于具有不同于普通材料的獨(dú)特性質(zhì),在很多方面具備了其他材料所不能比擬的優(yōu)勢。首先負(fù)泊松比效應(yīng)可以使材料的力學(xué)性能得到增強(qiáng),包括剪切模量、斷裂韌性、熱沖擊強(qiáng)度、壓痕阻力等。其次,由于材料的泊松比影響到應(yīng)力波的傳輸和反射,應(yīng)力的消除和在裂紋附近的應(yīng)力分布,所以負(fù)泊松比材料適合制造緊固件或安全帶,在受外力時材料的橫向膨脹可以抵消外力的作用,從而提高這些部件的抗負(fù)荷能力?梢赃M(jìn)一步預(yù)見,如果將負(fù)泊松比材料用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,比如負(fù)泊松比人造血管、負(fù)泊松比脈動擴(kuò)張器,可以很大程度上緩解由于動脈硬化、血栓等疾病對人體造成的危險。負(fù)泊松比泡沫還具有特殊的彈性和對聲音的吸收能力, 可以用于制造隔音材料。
目前負(fù)泊松比材料的制備方法主要分為兩類:一是通過對正泊松比材料的變形以及合理鋪設(shè)方式獲得負(fù)泊松比效應(yīng);二是通過創(chuàng)新材料的構(gòu)筑方法和技術(shù)直接制備負(fù)泊松比材料。目前的制備技術(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室的研究,且材料與結(jié)構(gòu)只能在理想狀態(tài)下進(jìn)行制備,與實(shí)際工程材料結(jié)構(gòu)的制造有很大差距。然而3D打印技術(shù)的應(yīng)用,無疑對縮小這種差距提供了前所未有的助力。
美國佐治亞理工學(xué)院的Wang K等研究人員設(shè)計了一種拉脹超材料,如圖4所示,梁臂部分選用剛性材料,梁臂鉸接處選用彈性材料,在Objet Connex350 3D打印機(jī)上制作出實(shí)物。
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圖4 (a) 雙材料拉脹模型;(b) 3D打印出的實(shí)物 德國馬克斯·普朗克研究所的Mark等研究人員利用正泊松比材料和負(fù)泊松比超材料在受拉情況下的相反的收縮和膨脹特性,設(shè)計了一個概念型管道機(jī)器人,并用3D打印技術(shù)打印出來,如圖5所示。在中部氣動裝置的伸縮驅(qū)動下,上部的負(fù)泊松比超材料部分和下部的正泊松比材料部分交替運(yùn)動或鎖定,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)運(yùn)動。
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圖5基于負(fù)泊松比超材料特性的概念機(jī)器人 電磁學(xué)超材料的3D打印
電磁超材料是一種介電常數(shù)與磁導(dǎo)率可為正、零或負(fù)數(shù)的,具有負(fù)折射、逆多普勒、逆Cerenkov輻射和消逝波放大等效應(yīng)的人工復(fù)合材料。正是由于電磁超材料具有傳統(tǒng)的天然材料不同的電磁介質(zhì),許多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用就此產(chǎn)生,例如,負(fù)折射率材料、人造磁性、完美透鏡、隱身衣等。電磁超材料通常由基本諧振單元(如電諧振器、磁諧振器)構(gòu)成,通過對單元諧振特性的設(shè)計可以在特定頻段對超材料的等效電磁參數(shù)進(jìn)行有效控制。
西安交通大學(xué)田小永等采用基于漸變折射率超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計了“地毯式隱形罩”、“電磁黑洞”等器件,以光固化3D打印技術(shù)為制造手段,光敏樹脂為基體材料,制作出了這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D電磁器件。如圖6所示,“地毯式隱身罩”的電磁波傳輸作用是改變因中間凸起部分對入射電磁波產(chǎn)生的散射現(xiàn)象,從而隱藏電磁波對突起內(nèi)部物體的探測作用。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過改變單元結(jié)構(gòu)特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)單胞等效介電常數(shù)和折射率的可控設(shè)計,可完成電磁波的可控傳播,實(shí)現(xiàn)電磁隱形。
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圖6 3D 打印制造的電磁波“地毯式隱身罩” 超材料從設(shè)計材料學(xué)的角度極大地解除了“自然物質(zhì)特性”對人類創(chuàng)造活動的束縛,3D打印技術(shù)從設(shè)計制造學(xué)的角度解除了“傳統(tǒng)制造手段”對人類創(chuàng)造活動的約束,兩者的交叉融合應(yīng)用必將彰顯出巨大的價值威力。特別值得一提的是,2017年1月,哈佛大學(xué)Katia Bertoldi及其合作者在Nature上發(fā)表研究文章,他們嘗試通過建立一個超材料開發(fā)設(shè)計基礎(chǔ)框架,構(gòu)建從米級到納米尺度的具有復(fù)雜幾何形狀的可重構(gòu)薄壁結(jié)構(gòu),幫助工程師創(chuàng)建可以改變形狀和功能的超材料;谟嬎隳P停麄儸F(xiàn)在快速循環(huán)幾百萬種不同的圖案,一旦一個設(shè)計被選中,科學(xué)家們能夠使用多材料3D打印機(jī)以及激光切割紙板、雙面膠帶等材料組合來創(chuàng)造超材料的原型。
作者:北方工業(yè)大學(xué)博士、副教授 胡福文
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