華中科大史玉升教授頂刊綜述：超材料的增材制造技術(shù)與發(fā)展趨勢！

來源：華中科技大學(xué)

超材料（Metamaterials，MMs）是指自然材料所不具備的特殊物理性質(zhì)（如電磁/聲學(xué)斗篷、零/負(fù)泊松比、負(fù)折射率等）的人工結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，這些奇特的物理特性可以通過精心設(shè)計的（準(zhǔn)）周期性結(jié)構(gòu)或多材料組合來實現(xiàn)，在國防工業(yè)和民生領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。增材制造技術(shù)由于在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有巨大優(yōu)勢，為制備超材料提供了有效技術(shù)手段，為此，華中科技大學(xué)史玉升教授團隊2021年在《Materials Today》（IF=31.041）上發(fā)表論文，對超材料的增材制造技術(shù)與發(fā)展趨勢進(jìn)行論述，為超材料在工程機械、航空航海和生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了思路，具體情況總結(jié)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(guān)注，各種各樣具有不同物理特性的超材料被設(shè)計出來。根據(jù)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(xué)超材料、熱學(xué)超材料和機械超材料，根據(jù)其具體的原理和應(yīng)用領(lǐng)域不同，將上述四類超材料進(jìn)一步細(xì)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(fù)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(jié)構(gòu)

2、指出了增材制造不同類型超材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

根據(jù)成形材料的形態(tài)，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(fù)合材料，成形尺寸從納米級到米級，可以極大地滿足大多數(shù)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(shù)具有不同的特性，成形材料、尺寸、分辨率和表面質(zhì)量等也都有顯著差異。在超材料的增材制造方面，要根據(jù)所需材料的結(jié)構(gòu)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(yīng)的尺寸，兩個符號之間的距離表示各種增材制造技術(shù)可實現(xiàn)的單元數(shù)量。

3、 增材制造出五模超材料

五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMMs），也稱為五模結(jié)構(gòu)，是一種特殊的工程結(jié)構(gòu)，其彈性矩陣中僅有一個特征值不為零。五模超材料與常規(guī)點陣結(jié)構(gòu)相比，具有更強的可設(shè)計性、類流體特征和多物理性能協(xié)調(diào)能力，因此具有更加廣闊的應(yīng)用價值。然而，由于五模超材料的幾何形狀高度復(fù)雜，傳統(tǒng)制造工藝難以實現(xiàn)。為此，該團隊近年來采用增材制造技術(shù)成形五模超材料，通過均勻化等效性能方法以蜂窩結(jié)構(gòu)和金剛石晶格構(gòu)型為基礎(chǔ)，得出了幾何參數(shù)對力學(xué)性能的影響規(guī)律和結(jié)構(gòu)設(shè)計對力學(xué)及傳質(zhì)性能的協(xié)同調(diào)控機制，設(shè)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(xué)性能，具有“隱身”效果，在水下聲學(xué)工程領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。此外，優(yōu)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(guān)系，從而實現(xiàn)力學(xué)和傳質(zhì)性能的協(xié)同調(diào)控，在生物支架工程領(lǐng)域具有較大應(yīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)型與單胞；（C）頻散曲線；（D）聲場模擬；（E-F）理論力學(xué)受力分析結(jié)果；（G）相對模量和（H）相對強度與相對密度的關(guān)系曲線；三維五模超材料（a-b）結(jié)構(gòu)構(gòu)型與單胞；（c）壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；（d）壓縮模量與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系；（e-g）不同構(gòu)型超材料傳質(zhì)過程速度分布云圖；（h）復(fù)合五模超材料生物支架結(jié)構(gòu)

盡管增材制造超材料的研究已取得了部分結(jié)果，但要取得更好的效果，還有很多科學(xué)問題亟待解決。在超材料的設(shè)計方面，一是需要將超材料的維度從二維擴展到三維，現(xiàn)有的MMs主要采用二維設(shè)計，可取得良好的仿真和實驗效果，但在實際應(yīng)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(shè)計具有多種功能的超材料，如同時具有聲波吸收和能量轉(zhuǎn)換的功能。在增材制造技術(shù)方面，一是需要開發(fā)出能夠同時成形性質(zhì)差異較大的多材料增材制造技術(shù)，以滿足超材料的多材料體系中異質(zhì)材料的成形需求；二是需要開發(fā)出容易去除的支撐材料，以確保超材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)件。

近年來，該團隊在增材制造超材料的設(shè)計與制備方面，發(fā)表了系列文章，具體論文連接如下：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.019

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.05.038

https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.06.009

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106331

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111199

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108417

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.06.005

作者所在團隊華中科技大學(xué)快速制造中心從1991年開始進(jìn)行增材制造的研發(fā)工作，目前形成了增材制造設(shè)計、材料、工藝、裝備、測量、應(yīng)用的成套關(guān)鍵技術(shù)。團隊學(xué)術(shù)帶頭人為史玉升教授，獲國家科技進(jìn)步二等獎2項、國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、省部一等獎5項，相關(guān)研究成果入選中國十大科技進(jìn)展、中國智能制造十大科技進(jìn)展，并入選教育部和湖北省創(chuàng)新團隊。