增材制造金屬超材料：設(shè)計(jì)、制造、性能和應(yīng)用

來源： SCI仿真工作室

超材料是具有天然材料所不具備的非凡物理特性的人造材料。增材制造（AM）技術(shù)的不斷發(fā)展為制造復(fù)雜的超材料結(jié)構(gòu)提供了新的可能性，并且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異性能。為此，本文收集了文獻(xiàn)中提到的金屬超材料的設(shè)計(jì)、制造、性能測(cè)試和分類等方面的最新研究成果，并進(jìn)一步闡述了金屬超材料的應(yīng)用前景，為今后的工程應(yīng)用提供參考。此外，金屬超材料的制造也存在一些困難，如多種材料的融合問題，值得注意。為了更好地理解超材料在更復(fù)雜載荷下的力學(xué)行為，需要進(jìn)行更多的研究，包括實(shí)驗(yàn)和模擬。

目前，研究人員對(duì)探索金屬超材料的多功能性越來越感興趣，例如具有優(yōu)異的機(jī)械性能、能量吸收性能以及生物相容性。本文綜述了金屬超材料的設(shè)計(jì)、制造、性能和應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的制造工藝。雖然文中提到了幾種超材料的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，但其目的都是為了滿足工程要求。然而，與金屬超材料設(shè)計(jì)相關(guān)的一些方面仍有待探索。未來的設(shè)計(jì)趨勢(shì)包括更復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多功能集成設(shè)計(jì)和應(yīng)用優(yōu)化算法以獲得更精確的性能監(jiān)管和創(chuàng)新應(yīng)用。

此外，增材制造技術(shù)是制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超材料的理想選擇，使金屬超材料的制造更加方便和高效。但是，超材料的應(yīng)用存在一定的局限性：(1)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中殘留的金屬粉末難以去除。例如，使用SLM和SLS技術(shù)制備板材超材料時(shí)，難以去除腔內(nèi)的粉末，導(dǎo)致成型精度差；(2)制備多材料超材料性能差。受成型原理和兩種材料熱物理系數(shù)差異的限制，難以實(shí)現(xiàn)有效的界面組合。例如，SLM、DED和FDM在制備多材料超材料時(shí)也面臨同樣的問題。未來，金屬超材料的增材制造技術(shù)將變得更加高效和低成本，實(shí)現(xiàn)更高的精度和分辨率，促進(jìn)金屬超材料的大規(guī)模應(yīng)用。在過去的研究中，金屬超材料的力學(xué)性能測(cè)試取得了顯著的進(jìn)展。通過各種試驗(yàn)方法（壓縮、沖擊、彎曲）和模擬方法，深入研究了金屬超材料的強(qiáng)度、韌性、彈性模量等力學(xué)性能。但也存在一定的局限性，如檢測(cè)方法不全面等。其他機(jī)械性能（如疲勞、扭轉(zhuǎn)、剪切）也應(yīng)予以重視，這些性能在工程應(yīng)用中同樣重要。模擬方法在預(yù)測(cè)超材料的力學(xué)行為方面發(fā)揮著重要作用，能夠考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形模式，為實(shí)驗(yàn)研究提供了有益的補(bǔ)充和指導(dǎo)。此外，將機(jī)器學(xué)習(xí)引入模擬也有助于預(yù)測(cè)復(fù)雜的機(jī)械行為。

金屬超材料以其獨(dú)特的性能在國防、航空、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如，在國防領(lǐng)域，超材料可用于制備隱身材料；在航空領(lǐng)域，它們可用于制備高速飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)；隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬超材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，為人類社會(huì)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。