超材料 (MM) 是指具有天然材料不具备的特殊物理特性（如电磁/声学斗篷、零/负泊松比、负折射率等）的人造结构或复合材料。这些奇特的物理特性可以通过精心设计的（准）周期结构或多材料组合来实现，在国防工业和民生领域具有广阔的应用前景。增材制造技术在制备复杂结构方面具有很大优势，为制备超材料提供了有效的技术手段。为此，华中科技大学石宇生教授团队于2021年在《今日材料》(IF=31.041)发表论文，探讨了增材制造技术及超材料的发展趋势，为应用提供思路工程机械、航空航海、生物医学等领域的超材料研究。具体情况总结如下。

1

明确了超材料的分类

近年来，超材料越来越受到科研工作者的关注。设计了超材料的物理特性。根据超材料的不同功能，目前超材料大致可分为四类：电磁超材料、声学超材料、热超材料和机械超材料。根据其具体原理和应用领域，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、最大体积模量超材料等，如图1所示。

图1 超材料分类及典型结构

2

< p>指出不同类型超材料在增材制造中的研究现状和发展趋势

根据成型材料的形状，增材制造工艺可分为丝状、粉末状、液体状和片状。适用材料包括金属、聚合物和陶瓷，以及它们的复合材料，成型尺寸从纳米级到米级，可极大满足大多数超材料对成型精度和尺寸的要求。但需要注意的是，不同的增材制造技术具有不同的特点，在成型材料、尺寸、分辨率、表面质量等方面也存在显着差异。在超材料的增材制造方面，应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形成各种尺寸的超材料时的特性。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大小，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。

3

五模超材料的增材制造

五模超材料（PMMs），也称为五模结构，是这种特殊的工程结构只有弹性矩阵中的一个特征值不为零。与常规晶格结构相比，五模态超材料具有更强的可设计性、类流体特性和多物理性能协同能力，因此具有更广泛的应用价值。然而，由于五模超材料的几何形状高度复杂，传统的制造工艺难以实现。为此，近年来，该团队采用增材制造技术形成五模超材料。通过均质化等效性能方法，基于蜂窝结构和金刚石晶格构型，得到几何参数对力学性能和结构的影响。设计力学和传质性能的协调控制机制，设计和制备两种形式的五模超材料：二维蜂窝五模超材料和三维金刚石五模超材料。五模式超材料类似于水。该产品的声学性能具有“隐身”效果，在水声工程领域具有很大的应用前景。此外，优化三维五模态超材料的几何形状可以释放模量、强度和渗透率之间的耦合关系，从而实现力学和传质性能的协调调控，在航天领域具有很大的应用潜力。生物支架工程。

图 3. 用于增材制造的五模式超材料。二维五模超材料（AB）结构配置和晶胞； (C) 色散曲线； (d) 声场模拟； (EF) 理论力学力分析结果； (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（ab）结构配置和晶胞； (c) 压缩应力-应变曲线； (d) 压缩模量与体积分数的关系； (eg) 不同配置的超材料传质过程的速度分布云图； (h) 复合五模超材料生物支架结构

虽然增材制造超材料的研究取得了一些成果，但仍需取得更好的成果。许多科学问题亟待解决。在超材料的设计中，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，可以取得良好的仿真和实验效果。但是，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向异性，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。例如，它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，一是需要开发一种能够同时形成性能差异较大的多材料增材制造技术，以满足超材料多材料体系中异质材料的成型需求；另一个是开发易于移除的技术。支撑材料，确保超材料的复杂结构具有足够的成型精度，同时不受支撑去除的困扰；三是解决增材制造技术中成型精度与成型尺寸的矛盾，在提高制造精度的同时成型。大型超材料组件。

上一篇：中国工程院王玉忠：阻燃材料要考虑性能之间的
下一篇：没有了