西交大李滌塵教授丨多材料融合的多功能超材料3D打印研究

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

△基于增材制造技術的多功能超材料

研究現(xiàn)狀
超材料是人工制造的功能結構材料，經過精心設計單元的構型以展現(xiàn)在常規(guī)材料中自然不存在的特性。它們最初由周期性的元胞構成，與電磁波相互作用從而操控波的傳輸行為，展現(xiàn)出諸如電磁隱形、負折射率、光束偏轉等非凡的現(xiàn)象。近年來，超材料的概念已經滲透到各個領域，通過3D打印技術提出并制造了紛繁多樣功能的超材料，從而實現(xiàn)物質與電磁、熱、聲以及機械能之間的相互作用。隨著超材料結構復雜性的增加和組分材料種類的增多，先進增材制造技術成為實現(xiàn)具有非凡性能和多功能融合超材料的強大工具。

研究難點或瓶頸
本文回顧了3D打印超材料在不同領域中實現(xiàn)的非凡性能，分析了結構、功能和制造過程之間的關系，介紹了通過3D打印技術實現(xiàn)的多種功能超材料的最新研究，并為3D打印超材料未來的發(fā)展趨勢提供了分析和討論。

具有可展開和變形功能的3D打印機械超材料

用于能量吸收的3D打印超材料

用于隔振的3D打印超材料

具有邏輯功能和機械記憶存儲性能的機械超材料

1）介紹了機械超材料的最新發(fā)展，包括用于能量吸收、振動隔離、機械存儲、機械邏輯門等方面的超材料。

2）分析了具有熱聚焦、隱形、旋轉功能等熱超材料以及它們的應用。

3）分別回顧了一些已經開發(fā)出來用于控制電磁/聲波傳播的典型電磁和聲學超材料。

4）對3D打印超材料的研究趨勢進行了分析，并對隨著高度發(fā)展的增材制造技術而涌現(xiàn)出的新功能做出了展望。

3D打印具有不同功能的熱超材料

3D打印的熱隱蔽裝置

聚光器和二極管的設計

雖然3D打印超材料具有許多優(yōu)點，但也存在一些需要解決的限制和挑戰(zhàn)。例如，并非所有材料都適合于3D打印。打印工藝與材料特性之間的兼容性，不同材料一體化成形對于實現(xiàn)復雜超材料功能也至關重要。另一個限制是設計的復雜度。超材料的多功能設計可能需要大量計算，需要先進的設計工具。快速發(fā)展的機器學習和生成設計方法有望可以克服這個挑戰(zhàn)，并在一定程度上自動化超材料的設計過程。最后，3D打印的制造速度也限制了大規(guī)模應用中超材料的制造。因此，解決這些挑戰(zhàn)對于發(fā)掘多功能超材料的應用潛力至關重要。這些瓶頸涉及材料科學、機械工程、人工智能等多學科交叉領域。

3D打印電磁超材料

電磁超材料

展望（發(fā)展趨勢）
3D打印超材料的發(fā)展將聚焦于在單一結構內集成多種功能，即多功能融合超材料。例如，具有機械可變性特征的聲學/電磁超材料可以用于實現(xiàn)可機械編程的聲學/電磁帶隙特性。3D打印超材料的發(fā)展有望改變諸多行業(yè)和領域，隨著研究人員不斷探索新的功能和應用，以及增材制造技術的飛速進步，3D打印超材料的未來在高精度、高效成形、多功能集成等方面將取得顯著的進展。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100091

Lingling Wu, Jiacheng Xue, Xiaoyong Tian, Tengfei Liu, Dichen Li. 3D-printed Metamaterials with Versatile Functionalities. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023: 100091.

團隊帶頭人介紹

李滌塵，西安交通大學機械工程學院長江學者特聘教授，博士生導師，機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室主任。主要從事增材制造技術的研究，包括增材制造（3D打印）技術、生物制造技術、增材制造（3D打印）應用技術等。獲得國家技術發(fā)明二等獎1項（2014年），國家科技進步二等獎1項（2000年）省部級科技進步一等獎3項，首屆“中國好設計”，金獎（2015年）首屆，“創(chuàng)新爭先”獎狀（2017年）。授權國家發(fā)明專利60余項，發(fā)表400余篇論文，研究論文獲Emerald出版集團“Rapid Prototyping Journal”2005，2007,2008年 Highly Commended Award；2000年獲得首批國家教育部高等學校優(yōu)秀青年教師獎；2004年獲得中國青年科技獎，2005年獲得中國優(yōu)秀博士后稱號；主持與參加國家與企業(yè)項目10余項。