增材制造超材料2023國內典型進展
2023年，國內在超材料的研究方面取得了一系列進展，本期將分享部分進展。
超材料是一種工程材料，具有獨特的屬性和先進的功能，這是其微結構組成帶來的直接結果。雖然最初的特性和功能僅限于光學與電磁學，但在過去十年中出現了許多新型超材料，它們在許多不同的研究和實踐領域都有應用，包括聲學、力學、生物材料和熱工等。
過去十年，旨在設計、模擬、制造和表征不同類型的超材料的研究在廣度和深度上都出現了爆炸性增長。這種前所未有的增長主要發生在三大發展的交匯處，這些發展相互加強，并促進了超材料的研究。
多材料
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復雜功能
根據《增材制造與超材料的設計、材料、功能和制造》一文，超材料的制造可以使用多種技術進行，其中增材制造是最重要的一種。這是因為增材制造技術提供的形式自由對于創建通常高度復雜的微體系結構至關重要，這些微體系架構是由理性設計過程產生的，是實現不尋常的特性和高級功能所必需的。自本世紀之交以來，特別是在過去十年中，最近的研究一直集中于加工耐應力材料，以制造具有復雜幾何形狀和高可靠性的完全功能部件，與工業制造部件不相上下。
梯度仿生多面體超材料
高比能量吸收（SEA）的輕質、高強度超材料在航空航天和汽車領域具有重要應用前景。受柚子皮保護果肉的抗沖擊性和功能梯度結構可提高比能量吸收（SEA）能力的啟發，華中科技大學史玉升教授團隊在一項研究中采用軟材料（光敏樹脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）進行3D打印，制備了梯度仿生多面體超材料（GBPM），其SEA超過了前期報道中大多數軟材料和硬質材料制造的超材料比能量吸收（SEA）。
相關論文發表在Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers。
該研究：
提供了一種實現卓越能量吸收的仿生策略。
驗證了材料對機械響應和比能量吸收的影響。
仿生梯度多面體的比能吸收超過了以前的大多數超材料。
仿生梯度設計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超過了先前研究中報道的大多數軟材料和硬質材料制造的超材料的SEA。華中科技大學史玉升教授團隊的發現可以指導具有高能量吸收以抵抗外部沖擊的超材料的設計。
輕質高強金屬力學超材料
力學超材料是由相互連接的桿、板組成的單胞在三維空間陣列所得的一種多孔材料，也叫點陣材料，是新一代先進輕質高強材料。上海交通大學的顧劍鋒教授聯合澳大利亞皇家墨爾本理工大學的馬前杰出教授，領導團隊從單一變形機制的經典Gibson-Ashby模型出發，耦合多種變形機制，建立了通用的Gibson-Ashby模型，并在此模型的啟發下, 借鑒人體骨骼在受外力作用時尊循的Wolff定律，對點陣材料的構成桿進行重新設計，實現了輕質高強的Ti-6Al-4V合金力學超材料的設計和制備。
相關論文以’Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model’為題，發表在Materials Today。
骨骼的生長會受到力學刺激影響而改變其結構，用之則強，廢用則弱。具體而言，盡力把最多的骨頭材料堆砌在承載效率最高的部位。受此啟發，研究團隊對Cubic點陣材料進行修正，減小不受力的水平桿的質量，同時增加承載力的豎直桿的質量，以在相對密度保持不變的情況下有效減小豎直桿的長徑比。基于該Wolff定律，該研究制備的Ti64超材料，在1.63 g/cm3的情況下，其屈服強度達到308.6 MPa，該強度或比強度也超過典型的鎂合金WE54(密度：1.85 g/cm3，屈服強度165-175 MPa)，以及人體皮質骨(密度：1.8 g/cm3，屈服強度≤250 MPa)。
多穩態、超彈性形狀記憶超材料
形狀記憶聚合物(SMPs)和形狀記憶合金(SMAs)是應用最廣泛的智能材料，能夠在沒有外部約束的情況下暫時保持給定(臨時)形狀，并在暴露于外部刺激(如熱、光、濕度或PH)時恢復其初始(永久)形狀。這種現象，即形狀記憶效應(SME)。基于SMPs和SMAs的智能超材料具有廣闊的應用前景，包括自展開的空間結構，自供電傳感器和執行器，以及高度移動的軟機器人等。SMPs和SMAs也被用于實現熱可調彈性模量、泊松比結構。最近，研究人員開發出了基于SMPs的多穩態超材料，實現了極端可編程變形和熱誘導形狀恢復功能。大多數熱觸發SMPs的一個基本要求是它們需要在高溫下進行熱機械編程。典型的SMP編程過程需要加熱SMP，使其變形為特定形狀，在保持規定變形的情況下冷卻SMP，然后卸載SMP以獲得所需的臨時形狀。這種熱編程過程可能會嚴重破壞SMPs的使用，因為重新啟動形狀需要額外的時間和處理流程。
2023年，TOP期刊《Materials Today》發表了哈爾濱工業大學和麥吉爾大學在形狀記憶機械超材料方面的研究工作，論文標題為“Shape memory mechanical metamaterials”。
研究人員提出了一種機械超材料，利用其本構材料的剛度對溫度的依賴性和空間分布來獲得快速形狀重構和快速恢復功能，所有這些都由機械載荷和溫度變化調節。由此產生的二維和三維超材料表現出順序可編程的多穩定性、超彈性、巨大的熱變形和形狀記憶能力。
金屬-陶瓷寬頻吸波超材料
液態金屬具有相對較低的熔點，優異的導電、導熱能力，因此在電學器件應用中具有巨大潛力。液態金屬的低粘度特性也使得其能夠適用于各種加工手段，例如絲網印刷、倒模、噴墨等等。在制備三維結構材料方面，液態金屬被報道能夠兼容多種3D打印技術例如直接書寫3D打印技術、光固化3D打印技術、激光輔助3D打印技術等。陶瓷材料具有優異的力學、抗氧化、電學性能，被廣泛應用于高溫、腐蝕，電子、光學領域。然而液態金屬材料與陶瓷材料的兼容性一直沒有得到驗證，如何將低粘度的液態金屬材料與高硬度的陶瓷材料復合，也是一直以來未解決的一項難題。
2023年，西北工業大學孔杰與西安科技大學楊嘉怡合作報道了一種新型可光固化3D打印的液態金屬陶瓷超材料，該材料具備豐富的介電損耗機制、改善的力學性能以及優異的耐高溫性能，通過超結構的設計和3D打印制備，可實現C-X波段全頻覆蓋的優異電磁波吸收能力。相關論文以 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 以題在Adv. Funct. Mater. (2023, 33, 2307499)在線發表。
l參考資料：
顧劍鋒/馬前團隊利用骨響應的Wolff定律設計輕質高強金屬力學超材料
哈工大在多穩態、超彈性形狀記憶超材料方面取得系列進展
西工大孔杰教授團隊：光固化3D打印液態金屬-陶瓷寬頻吸波超材料
史玉升教授團隊：以柚子皮為靈感的高能量吸收梯度仿生超材料的設計和3D打印
(責任編輯：admin)
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