论文标题：Development Trends and Challenges of Additive Manufacturing Metamaterials

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.11.014

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作者：宋波^a,* , 张邵基^a , 张磊^a,b , 史玉升^a

^a State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mold Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China

^b Department of Mechanical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China

1. 引言

为了设计具有天然物质不具备的独特特性的新型结构，科学家们通过结合周期性/非周期性纳观、微观及宏观的人工结构，开发出了各种类型的结构/材料，即所谓的超材料。这些超材料具有负折射率[1]和负泊松比[2]等特殊性质，在声学、热学、电磁学、机械学等领域具有重要作用。它们在材料组成和结构拓扑方面具有高设计自由度。然而，这些独特的性能要求结构具有精确的几何结构或单元。结构尺寸或排列方向的微小变化都会极大地影响最终性能[3]。超材料的发展使得传统的生产方法已无法满足高精度的需求。

增材制造是一种将三维模型离散化为二维平面，将二维平面由点成型为线，最后逐层制造成三维零件的技术。它使用计算机辅助设计技术创建三维模型，最后将数字模型发送给打印机[4]。利用计算机辅助设计技术设计出的结构的复杂程度取决于创造能力，这为结构的发展提供了巨大的潜力。除了制造形式上的优势，增材制造还可以使用多种原材料，如粉末、液体和线材。得益于其独特的制造方法，增材制造理论上可以制造出任意复杂程度的结构。这种方法比传统的减材制造更精细、更集成，并更能达到超材料的要求。超材料的发展与增材制造技术的发展密切相关。图1展示了增材制造构件的发展趋势与增材制造超材料之间的关系。

图1. 增材制造构件的发展趋势与增材制造超材料的关系。

2. 增材制造构件的发展

根据增材制造构件的特点，增材制造的发展大致可分为三个阶段：早期的模具结构（结构件）、中期的复杂集成结构（材料-结构-集成件）和目前的功能/智能结构（材料-结构-功能-集成件）。

传统铸造技术对于航空、航天和汽车行业重要金属零件的生产至关重要。模具的生产对铸造工艺要求较高，因为它直接影响铸造的效率和精度。随着设计的进步和零件集成度的提高，模具变得越来越精密和复杂。由于模具定制化程度高，传统方法成本高昂，复杂模具的生产制造具有较大的挑战性。目前，选择性激光烧结和黏合剂注射三维打印这两种常见的增材制造技术可用来克服这一难题[5]。但这种增材制造技术制造的结构精度尚未达到超材料一般所需的亚毫米级水平。

增材制造技术为制造集成和复杂结构制造提供了多种优势。激光粉末床熔融技术的发展促进了基本航空航天结构的集成制造。这可以有效避免错误，降低与结构装配相关的成本，缩短设计与制造之间的差距。

功能结构的制造精度对其性能有着重要影响。目前已发明了20多种增材制造工艺，包括聚合物、金属和陶瓷等打印材料，打印范围囊括纳米级到米级[4]。例如，纳米级的制造可通过光聚合[6]实现，亚微米级的制造可通过单光子微立体光刻技术[7]实现，米级的制造可通过电弧定向能量沉积[8]实现。上述各种增材制造方法极大地推动了功能超材料的发展。除了功能结构外，麻省理工学院研究人员于2014年开发的智能结构也是研究的一个焦点[9]。智能结构可在不同的刺激下做出特定的变化，增材制造技术也能有效控制这种变化。

总之，各种增材制造技术为个性化、一体化的复杂结构的生产制造提供了大量机会。增材制造技术的进步极大地拓展了超材料的设计可能性和潜在应用领域。

3. 超材料概述

1968年，Veselago [10]提出了左手材料的概念。这些材料具有独特的性质，包括负折射和电磁隐身等，这使它们能够实现功能化。声子晶体的概念出现于20世纪90年代[11]，而后Liu等[12]首次提出了三维声子晶体。Fan等[13]提出了热学超材料，并被Narayana和Sato [14]在实验中证实。随着制造技术和相关理论的进步，研究人员对超材料的研究日益深入[15]。超材料在医药、汽车、建筑和航空航天等各行各业都有潜在应用。根据其功能，超材料可分为四种类型：电磁超材料、声学超材料、热学超材料和机械超材料。

3.1. 电磁超材料

电磁超材料的发展经历了三个重要阶段：概念的提出、实验的证实、负折射材料理论的建立与超材料的应用[4]。作为一种人工结构，电磁超材料可以用两个物理参数来表征：电导率ε和磁导率μ。这些物理参数可以通过基体材料的选择、结构设计和拓扑结构的优化来改变[16]。通过调整这两个物理参数的数值和极性，可以得到四种具有不同特性的电磁材料[17]。超材料因其独特的性能适用于特定的场景，如电磁斗篷、电磁波超材料和太赫兹电磁超材料。

尽管电磁超材料具有独特的性能，但其应用却十分有限。例如，电磁隐身可通过构建分环谐振器来获得梯度磁导率，而分环谐振器通常是用印刷电路板制造。然而，隐身斗篷中关键部件的磁谐振器通常比被隐身物体的体积更大[18]。通过引入特定的超材料或超表面，电磁斗篷的体积可大幅缩小[19]。虽然超表面能有效减小体积，但它易受到角度的影响。实现电磁斗篷实用化的关键是设计出体积小、大角度隐身的斗篷。由于二维超材料结构复杂，利用印刷电路板制造面临巨大挑战。不过，包括熔融沉积成型和立体光刻在内的增材制造技术已成功促进了复杂电磁超材料的制造[20]。

3.2. 声学超材料

自2000年首次提出以来，声学超材料已经历了20多年的发展[12]。与电磁超材料类似，声学超材料的特性也可以用两个物理参数来描述：等效密度ρ和体积模量Κ。通过设计材料和结构，可获得不同的ρ和Κ值，从而产生具有不同特性的声学超材料。声学控制在噪声和振动控制、声学透镜、声学成像和声学屏蔽等方面有多种应用[4]。因此，声学材料的需求十分巨大。

噪声控制与人类生活息息相关，并已得到广泛研究。长期暴露在噪声中，尤其是低频噪声，会对人体产生较大影响[21]。噪声控制通常可以利用隔声和吸声两种方式来实现。隔声通常可通过声源的控制实现，关键在于隔声超材料的体积必须尽可能小，且满足相应声源频率的隔声要求。多孔材料等传统材料可用于吸声[22]，其对高频噪声非常有效，然而要达到同样的低频吸声效果，需要使用较大的体积，这对应用来说是一个重大挑战。吸声超材料（如微穿孔板、分管谐振器和装饰膜谐振器）的提出有望解决这一问题。吸声超材料能够在特定频率下实现完美的吸声效果。然而这也引出了一个新的挑战：噪声通常发生在复杂的声学环境中。与复杂的声学环境相比，吸声超材料能够实现完美吸声的频率范围较窄。

总之，宽带吸声是声学超材料领域的一个重要研究领域。将具有不同吸声频率的单元组合在一起是实现宽带吸声的有效方法。此外，虽然增材制造有望实现跨规模生产[6]，但平衡结构尺寸与精度又是另一个挑战。

3.3. 热学超材料

与其他超材料相比，热学超材料因其复杂的物理过程而备受关注[23]。2008年，Fan等[13]发现了一种具有热整流功能的异形梯度材料，可用作热隐身衣。这是首次引入热学超材料的概念，并提出稳态变换热学理论。随后，Guenneau等[24]提出了非稳态变换热力学。此后，许多研究人员开始关注热学超材料，因为它们在热隐身/热伪装、热防护、热管理和热信息等领域有着重要的应用[23]。

热导率是材料的一项重要物理特性。在扩散传输的情况下，热导率对传输效率有重大影响。热学超材料设计的关键因素是结构设计和材料选择。变换热学超材料的设计方式与变换声学超材料类似。由于材料的选择会对热传递产生重大影响，因此选择合适的材料对于实现高效热传递至关重要。不同材料之间导热系数的显著差异有助于通过材料和结构优化开发出理想的热学超材料。然而，不同材料之间的巨大差异给超材料的制造带来了挑战。选择性激光烧结、立体光刻、熔融沉积成型等方法可实现多材料制造，是实用的热超材料制造方法[25-26]。然而，用不同材料制造结构复杂的热学超材料仍是一项挑战。如何在热学超材料的可制造性和功能性之间取得平衡，是一个值得关注的重要问题。

3.4. 机械超材料

机械超材料的开发是为了获得自然界不存在的非常规机械特性。这些特性包括消失剪切模量、零或负泊松比、负刚度和负可压缩性[23]。这可以通过调整杨氏模量、剪切模量、体积模量和泊松比等等效参数来实现，而这些参数可通过结构设计和拓扑优化来获得[27]。机械超材料可以实现各种功能，如能量吸收、能量存储和减震等[16]。

负泊松比超材料是最早也是应用最广泛的机械超材料之一，其泊松比通常为零或负值[28]。具有这种特殊性能的结构可以很好地抵抗局部压痕，此外它在抵抗弯曲变形方面具有十分明显的效果，因为它在变形过程中呈“拱形”状，这有助于它抵抗弯曲[16]。机械超材料可以改善工程应用所需的物理特性，如硬度、剪切阻力和能量吸收[29-31]。另一种常见的机械超材料是五模超材料，它以高体积模量和低剪切模量著称，十分适用于水下声隐形和隔震[32-33]。机械超材料的结构形式主要取决于其独特的性能，由于独特的性能，它们在各种应用领域具有巨大的潜力。其实际应用的另一个关键在于可与声学或生物功能等应用的特定性能要求相结合[34-35]。因此，机械超材料的进一步发展取决于如何设计和制造它们，以适应其独特的用途和固有特性。

4. 机遇与挑战

增材制造技术的进步缩小了超材料理论与实际制造之间的差距。而超材料的功能可通过实验来验证，同时制造技术和理论知识的进步为超材料的实现提供了无限可能。超材料的广泛应用将推动个性化和定制化结构的发展。未来，增材制造超材料可能会出现以下机遇：

（1）多功能耦合的发展代表了超材料的未来趋势。承载能力是大多数超材料（如热学超材料和声学超材料）的必要特性，对于机械超材料而言，未来的发展不仅在于其独特的机械特性，还在于将耦合其他功能的特殊设计融入其中[36-39]。

（2）超材料的设计可考虑不同材料之间的显著差异。材料的固有属性对超材料的最终性能有重大影响，为不同超材料的指定位置选择合适的材料（如以多材料和梯度材料的形式制造），可简化其复杂性，实现特殊的性能并进一步提高其性能。

（3）增材制造技术的进步为超材料的跨尺度制造提供了机遇。它的特点不仅在于能够生产复杂而精密的部件，而且还拥有集成制造的能力。增材制造技术将有可能促进超材料结构从微米级到米级的集成，从而推动超材料的应用。

（4）4D打印为超材料的设计提供了创新的可能性。4D打印是3D打印结构在形状、性质和功能方面的有针对性的进一步演变。4D打印的超材料会不断进化，表现出智能行为，并实现自组装和刺激响应重构等特殊功能[40]。一些智能结构可以直接使用4D打印技术制造。这种独特的能力拓展了超材料的设计空间，使其能够根据各种外部刺激调整自身结构，并随着外部条件的变化执行相应的功能。

（5）人工智能的发展可以加速超材料的高通量设计。利用人工智能开发超材料可以大大缩短复杂设计空间内获得最佳结构所需的时间。同时，通过将人工智能设计新结构的能力与文献数据相结合，可建立超材料结构参数和性能的数据库，实现超材料的快速获取与设计。

增材制造技术为超材料的制造提供了一种可行的解决方案。然而，这项技术也为超材料的应用带来了独特的挑战。这些挑战包括增材制造技术固有未解决的问题以及该技术的特殊性所带来的问题。此外，上述所提及超材料的优势并不能立即实现，未来的道路依然充满挑战。以下是对这些问题的一些总结：

（1）开发可实现多功能耦合的超材料面临着巨大挑战。超材料的不同功能对结构设计的要求可能相互冲突。平衡这些不同的功能对超材料的设计提出了更高的要求。

（2）结构尺寸与精度之间的权衡是另一个问题。在增材制造技术中，高精度结构往往意味着小尺寸构件。例如，通过光聚合物化技术，可以制造出从纳米到厘米的跨尺度超材料[6]。然而，这种尺寸仍然远远不能满足某些应用的需求，放大到更大尺寸时通常会导致精度降低。如何生产出兼具高精度和大尺寸的超材料，仍然是增材制造技术长期面临的一项挑战。

（3）制造多材料、跨尺度的集成超材料是一项艰巨的挑战。增材制造的一个主要优势是其集成制造能力。然而，由于增材制造设备和增材制造固有特性（如快冷快热）的限制，制造跨尺度集成超材料非常困难。此外，材料本身性质的巨大差异，尤其是金属材料和非金属材料之间的差异，是增材制造所面临的又一挑战。

（4）成本仍然是开发超材料或实现增材制造超材料产业化的主要挑战。这主要是由于所使用的设备和材料成本高昂，操作与增材制造机器相关的软件和技术所需的时间和专业知识也具有较高门槛[41]。此外，使用增材制造技术生产构件通常比使用传统方法耗时更长[42]。因此，成本问题主要源于增材制造技术的内在问题。

总之，增材制造超材料仍然是一个挑战与潜力并存的研究领域。确定超材料的本身功能及其与其他功能的耦合非常重要。同样重要的是进一步开发涉及多种材料和跨尺度的增材制造技术，这是超材料未来发展所必需的。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划项目（2023YFB4604800）、国家自然科学基金项目（52275331）、香江学者计划项目（XJ2022014）的资助。

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引用本文：

Bo Song, Shaoji Zhang, Lei Zhang, Yusheng Shi. Development Trends and Challenges of Additive Manufacturing Metamaterials. Engineering, DOI: 10.1016/j.eng.2024.11.014