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华中科大史玉升教授顶刊综述:超材料的增材制造技术与发展趋势!

2021-07-24 20:54     来源:材料科学与工程     超材料 增材制造
超材料(Metamaterials,MMs)是指自然材料所不具备的特殊物理性质(如电磁/声学斗篷、零/负泊松比、负折射率等)的人工结构或复合材料,这些奇特的物理特性可以通过精心设计的(准)周期性结构或多材料组合来实现,在国防工业和民生领域都有着广阔的应用前景。增材制造技术由于在制备复杂结构方面具有巨大优势,为制备超材料提供了有效技术手段,为此,华中科技大学史玉升教授团队2021年在《Materials Today》(IF=31.041)上发表论文,对超材料的增材制造技术与发展趋势进行论述,为超材料在工程机械、航空航海和生物医疗等领域的应用提供了思路,具体情况总结如下。

1、明晰了超材料的分类

近年来,超材料受到越来越多科研工作者的关注,各种各样具有不同物理特性的超材料被设计出来。根据超材料的功能不同,目前超材料大致可分为四类:电磁超材料、声学超材料、热学超材料和机械超材料,根据其具体的原理和应用领域不同,将上述四类超材料进一步细分为:(1)电磁隐身超材料、电磁吸收超材料、太赫兹电磁超材料等;(2)声隐身超材料、声波吸收超材料、声波聚焦超材料等;(3)热流控制超材料、热隐身超材料和热辐射超材料等;(4)吸能超材料、负泊松比超材料、最大体模量超材料等,如图1所示。


图1. 超材料的分类与典型结构

2、指出了增材制造不同类型超材料的研究现状和发展趋势

根据成形材料的形态,增材制造工艺可分为丝状、粉状、液状、片状,适用材料包括金属、聚合物和陶瓷,以及他们的复合材料,成形尺寸从纳米级到米级,可以极大地满足大多数超材料对于成形精度与尺寸的要求。然而,需要注意的是,不同的增材制造技术具有不同的特性,成形材料、尺寸、分辨率和表面质量等也都有显著差异。在超材料的增材制造方面,要根据所需材料的结构和特性选择合适的工艺,如图2所示。


图2. 典型增材制造工艺在成形各种尺寸超材料时的特点。三角形、圆形和正方形分别表示最大零件尺寸、最小零件尺寸和成形分辨率,符号的位置表示与波长对应的尺寸,两个符号之间的距离表示各种增材制造技术可实现的单元数量。

3、 增材制造出五模超材料

五模超材料(Pentamode Metamaterials, PMMs),也称为五模结构,是一种特殊的工程结构,其弹性矩阵中仅有一个特征值不为零。五模超材料与常规点阵结构相比,具有更强的可设计性、类流体特征和多物理性能协调能力,因此具有更加广阔的应用价值。然而,由于五模超材料的几何形状高度复杂,传统制造工艺难以实现。为此,该团队近年来采用增材制造技术成形五模超材料,通过均匀化等效性能方法以蜂窝结构和金刚石晶格构型为基础,得出了几何参数对力学性能的影响规律和结构设计对力学及传质性能的协同调控机制,设计并制备了两种形式的五模超材料:二维蜂窝状五模超材料和三维金刚石五模超材料,该五模超材料具有与水相似的声学性能,具有“隐身”效果,在水下声学工程领域有较大的应用前景。此外,优化三维五模超材料几何形状,可解除模量、强度与渗透率之间的耦合关系,从而实现力学和传质性能的协同调控,在生物支架工程领域具有较大应用潜力。


图3.增材制造的五模超材料。二维五模超材料(A-B)结构构型与单胞;(C)频散曲线;(D)声场模拟;(E-F)理论力学受力分析结果;(G)相对模量和(H)相对强度与相对密度的关系曲线;三维五模超材料(a-b)结构构型与单胞;(c)压缩应力应变曲线;(d)压缩模量与体积分数的关系;(e-g)不同构型超材料传质过程速度分布云图;(h)复合五模超材料生物支架结构

尽管增材制造超材料的研究已取得了部分结果,但要取得更好的效果,还有很多科学问题亟待解决。在超材料的设计方面,一是需要将超材料的维度从二维扩展到三维,现有的MMs主要采用二维设计,可取得良好的仿真和实验效果,但在实际应用中,二维超材料的功能在垂直于二维平面的方向上会完全失效;二是需要降低超材料的各项异性,使其在不同方向上具有相同的功能;三是可以设计具有多种功能的超材料,如同时具有声波吸收和能量转换的功能。在增材制造技术方面,一是需要开发出能够同时成形性质差异较大的多材料增材制造技术,以满足超材料的多材料体系中异质材料的成形需求;二是需要开发出容易去除的支撑材料,以确保超材料的复杂结构具有足够成形精度的同时不受支撑去除的困扰;三是解决增材制造技术中成形精度和成形尺寸之间的矛盾,在提高制造精度的同时成形出大尺寸的超材料构件。

近年来,该团队在增材制造超材料的设计与制备方面,发表了系列文章,具体论文连接如下:

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

作者所在团队华中科技大学快速制造中心从1991年开始进行增材制造的研发工作,目前形成了增材制造设计、材料、工艺、装备、测量、应用的成套关键技术。团队学术带头人为史玉升教授,获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、省部一等奖5项,相关研究成果入选中国十大科技进展、中国智能制造十大科技进展,并入选教育部和湖北省创新团队。

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