增材制造超材料2023国内典型进展
时间:2024-01-01 10:48 来源:未知 作者:admin 点击:次
| 超材料技术实现了功能到结构的逆向设计，对航空领域可能产生潜在颠覆性影响：①构造能实现完美隐身的超材料“隐身斗篷”和超材料吸波体，控制入射波传播方向或通过吸波方式降低目标信号特征，大幅提高战机的隐身性能；②制造小型相控阵天线和超分辨率成像系统，应用在战机、导弹等领域可有效强化探测跟踪能力，在未来信息化空战中进一步加快OODA（观察、定位、决策、行动）循环；③将平面传输天线与超材料耦合设计，可提高天线辐射效率并缩小尺寸，推动航空装备关键微波射频组件的小型化、集成化发展。
2023年，国内在超材料的研究方面取得了一系列进展，本期将分享部分进展。 超材料是一种工程材料，具有独特的属性和先进的功能，这是其微结构组成带来的直接结果。虽然最初的特性和功能仅限于光学与电磁学，但在过去十年中出现了许多新型超材料，它们在许多不同的研究和实践领域都有应用，包括声学、力学、生物材料和热工等。
过去十年，旨在设计、模拟、制造和表征不同类型的超材料的研究在广度和深度上都出现了爆炸性增长。这种前所未有的增长主要发生在三大发展的交汇处，这些发展相互加强，并促进了超材料的研究。
根据《增材制造与超材料的设计、材料、功能和制造》一文，超材料的制造可以使用多种技术进行，其中增材制造是最重要的一种。这是因为增材制造技术提供的形式自由对于创建通常高度复杂的微体系结构至关重要，这些微体系架构是由理性设计过程产生的，是实现不寻常的特性和高级功能所必需的。自本世纪之交以来，特别是在过去十年中，最近的研究一直集中于加工耐应力材料，以制造具有复杂几何形状和高可靠性的完全功能部件，与工业制造部件不相上下。
高比能量吸收（SEA）的轻质、高强度超材料在航空航天和汽车领域具有重要应用前景。受柚子皮保护果肉的抗冲击性和功能梯度结构可提高比能量吸收（SEA）能力的启发，华中科技大学史玉升教授团队在一项研究中采用软材料（光敏树脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）进行3D打印，制备了梯度仿生多面体超材料（GBPM），其SEA超过了前期报道中大多数软材料和硬质材料制造的超材料比能量吸收（SEA）。 相关论文发表在Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers。 该研究： 提供了一种实现卓越能量吸收的仿生策略。 验证了材料对机械响应和比能量吸收的影响。 仿生梯度多面体的比能吸收超过了以前的大多数超材料。 仿生梯度设计可提高超材料的能量吸收效果，研究中所涉及的仿柚子皮梯度超材料的SEA超过了先前研究中报道的大多数软材料和硬质材料制造的超材料的SEA。华中科技大学史玉升教授团队的发现可以指导具有高能量吸收以抵抗外部冲击的超材料的设计。
力学超材料是由相互连接的杆、板组成的单胞在三维空间阵列所得的一种多孔材料，也叫点阵材料，是新一代先进轻质高强材料。上海交通大学的顾剑锋教授联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学的马前杰出教授，领导团队从单一变形机制的经典Gibson-Ashby模型出发，耦合多种变形机制，建立了通用的Gibson-Ashby模型，并在此模型的启发下, 借鉴人体骨骼在受外力作用时尊循的Wolff定律，对点阵材料的构成杆进行重新设计，实现了轻质高强的Ti-6Al-4V合金力学超材料的设计和制备。 相关论文以’Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model’为题，发表在Materials Today。 骨骼的生长会受到力学刺激影响而改变其结构，用之则强，废用则弱。具体而言，尽力把最多的骨头材料堆砌在承载效率最高的部位。受此启发，研究团队对Cubic点阵材料进行修正，减小不受力的水平杆的质量，同时增加承载力的竖直杆的质量，以在相对密度保持不变的情况下有效减小竖直杆的长径比。基于该Wolff定律，该研究制备的Ti64超材料，在1.63 g/cm3的情况下，其屈服强度达到308.6 MPa，该强度或比强度也超过典型的镁合金WE54(密度：1.85 g/cm3，屈服强度165-175 MPa)，以及人体皮质骨(密度：1.8 g/cm3，屈服强度≤250 MPa)。
形状记忆聚合物(SMPs)和形状记忆合金(SMAs)是应用最广泛的智能材料，能够在没有外部约束的情况下暂时保持给定(临时)形状，并在暴露于外部刺激(如热、光、湿度或PH)时恢复其初始(永久)形状。这种现象，即形状记忆效应(SME)。基于SMPs和SMAs的智能超材料具有广阔的应用前景，包括自展开的空间结构，自供电传感器和执行器，以及高度移动的软机器人等。SMPs和SMAs也被用于实现热可调弹性模量、泊松比结构。最近，研究人员开发出了基于SMPs的多稳态超材料，实现了极端可编程变形和热诱导形状恢复功能。大多数热触发SMPs的一个基本要求是它们需要在高温下进行热机械编程。典型的SMP编程过程需要加热SMP，使其变形为特定形状，在保持规定变形的情况下冷却SMP，然后卸载SMP以获得所需的临时形状。这种热编程过程可能会严重破坏SMPs的使用，因为重新启动形状需要额外的时间和处理流程。 2023年，TOP期刊《Materials Today》发表了哈尔滨工业大学和麦吉尔大学在形状记忆机械超材料方面的研究工作，论文标题为“Shape memory mechanical metamaterials”。 研究人员提出了一种机械超材料，利用其本构材料的刚度对温度的依赖性和空间分布来获得快速形状重构和快速恢复功能，所有这些都由机械载荷和温度变化调节。由此产生的二维和三维超材料表现出顺序可编程的多稳定性、超弹性、巨大的热变形和形状记忆能力。
液态金属具有相对较低的熔点，优异的导电、导热能力，因此在电学器件应用中具有巨大潜力。液态金属的低粘度特性也使得其能够适用于各种加工手段，例如丝网印刷、倒模、喷墨等等。在制备三维结构材料方面，液态金属被报道能够兼容多种3D打印技术例如直接书写3D打印技术、光固化3D打印技术、激光辅助3D打印技术等。陶瓷材料具有优异的力学、抗氧化、电学性能，被广泛应用于高温、腐蚀，电子、光学领域。然而液态金属材料与陶瓷材料的兼容性一直没有得到验证，如何将低粘度的液态金属材料与高硬度的陶瓷材料复合，也是一直以来未解决的一项难题。 2023年，西北工业大学孔杰与西安科技大学杨嘉怡合作报道了一种新型可光固化3D打印的液态金属陶瓷超材料，该材料具备丰富的介电损耗机制、改善的力学性能以及优异的耐高温性能，通过超结构的设计和3D打印制备，可实现C-X波段全频覆盖的优异电磁波吸收能力。相关论文以 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 以题在Adv. Funct. Mater. (2023, 33, 2307499)在线发表。
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