西交大李涤尘教授丨多材料融合的多功能超材料3D打印研究

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基于增材制造技术的多功能超材料

研究现状

超材料是人工制造的功能结构材料，经过精心设计单元的构型以展现在常规材料中自然不存在的特性。它们最初由周期性的元胞构成，与电磁波相互作用从而操控波的传输行为，展现出诸如电磁隐形、负折射率、光束偏转等非凡的现象。近年来，超材料的概念已经渗透到各个领域，通过3D打印技术提出并制造了纷繁多样功能的超材料，从而实现物质与电磁、热、声以及机械能之间的相互作用。随着超材料结构复杂性的增加和组分材料种类的增多，先进增材制造技术成为实现具有非凡性能和多功能融合超材料的强大工具。

研究难点或瓶颈

本文回顾了3D打印超材料在不同领域中实现的非凡性能，分析了结构、功能和制造过程之间的关系，介绍了通过3D打印技术实现的多种功能超材料的最新研究，并为3D打印超材料未来的发展趋势提供了分析和讨论。

具有可展开和变形功能的3D打印机械超材料

用于能量吸收的3D打印超材料

用于隔振的3D打印超材料

具有逻辑功能和机械记忆存储性能的机械超材料

1）介绍了机械超材料的最新发展，包括用于能量吸收、振动隔离、机械存储、机械逻辑门等方面的超材料。

2）分析了具有热聚焦、隐形、旋转功能等热超材料以及它们的应用。

3）分别回顾了一些已经开发出来用于控制电磁/声波传播的典型电磁和声学超材料。

4）对3D打印超材料的研究趋势进行了分析，并对随着高度发展的增材制造技术而涌现出的新功能做出了展望。

3D打印具有不同功能的热超材料

3D打印的热隐蔽装置

聚光器和二极管的设计

虽然3D打印超材料具有许多优点，但也存在一些需要解决的限制和挑战。例如，并非所有材料都适合于3D打印。打印工艺与材料特性之间的兼容性，不同材料一体化成形对于实现复杂超材料功能也至关重要。另一个限制是设计的复杂度。超材料的多功能设计可能需要大量计算，需要先进的设计工具。快速发展的机器学习和生成设计方法有望可以克服这个挑战，并在一定程度上自动化超材料的设计过程。最后，3D打印的制造速度也限制了大规模应用中超材料的制造。因此，解决这些挑战对于发掘多功能超材料的应用潜力至关重要。这些瓶颈涉及材料科学、机械工程、人工智能等多学科交叉领域。

3D打印电磁超材料

电磁超材料

展望（发展趋势）

3D打印超材料的发展将聚焦于在单一结构内集成多种功能，即多功能融合超材料。例如，具有机械可变性特征的声学/电磁超材料可以用于实现可机械编程的声学/电磁带隙特性。3D打印超材料的发展有望改变诸多行业和领域，随着研究人员不断探索新的功能和应用，以及增材制造技术的飞速进步，3D打印超材料的未来在高精度、高效成形、多功能集成等方面将取得显著的进展。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100091

Lingling Wu, Jiacheng Xue, Xiaoyong Tian, Tengfei Liu, Dichen Li. 3D-printed Metamaterials with Versatile Functionalities. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023: 100091.

团队带头人介绍

李涤尘，西安交通大学机械工程学院长江学者特聘教授，博士生导师，机械制造系统工程国家重点实验室主任。主要从事增材制造技术的研究，包括增材制造（3D打印）技术、生物制造技术、增材制造（3D打印）应用技术等。获得国家技术发明二等奖1项（2014年），国家科技进步二等奖1项（2000年）省部级科技进步一等奖3项，首届“中国好设计”，金奖（2015年）首届，“创新争先”奖状（2017年）。授权国家发明专利60余项，发表400余篇论文，研究论文获Emerald出版集团“Rapid Prototyping Journal”2005，2007,2008年 Highly Commended Award；2000年获得首批国家教育部高等学校优秀青年教师奖；2004年获得中国青年科技奖，2005年获得中国优秀博士后称号；主持与参加国家与企业项目10余项。

实验室或课题组在研项目和获得的研究成果

（1）科技部国家重点研发计划课题，多材料融合的超材料3D打印工艺研究，446万元，2022.11-2025.10，主持

（2）国家自然科学基金青年项目，机械超材料的模块化设计概念及符号回归实现，30万元，2021.01-2023.12，主持

（3）双一流大学引导专项，机械超材料的自动设计及其3D打印，100 万元，2021.08-2027.08，主持

（4）陕西省重点研发计划——“两链”融合重点专项揭榜挂帅项目，120万元，2022.06-2024.12，主持

近年团队发表文章

[1] Lingling Wu, Zirui Zhai, Xinguang Zhao, Xiaoyong Tian, Dichen Li, Qianxuan Wang, Weiqi Lin, Hanqing Jiang, Modular Design for Acoustic Metamaterials: Low-Frequency Noise Attenuation. Advanced Functional Materials 32 (13), 2105712 (2022).

[2] Lingling Wu*, Yong Wang*, Kuochih Chuang, Fugen Wu, Qianxuan Wang, Weiqi Lin, Hanqing Jiang, A brief review of dynamic mechanical metamaterials for mechanical energy manipulation, Materials Today, (2020).

[3] Lingling Wu*, Yong Wang*, Zirui Zhai, Yi Yang, Deepakshyam Krishnaraju, Junqiang Lu, Fugen Wu, Qianxuan Wang, Hanqing Jiang, Mechanical metamaterials for full-band mechanical wave shielding, Applied Materials Today 20, 100671, (2020).

[4] Lingling Wu, Xiaoyong Tian, Dichen Li, Ji Zhou. Memorable sounds in mechanical metamaterial field in 2021. Science & Technology Review, 2022, 40(1): 161-167.

[5] Lingling Wu*; Lei Liu*; Yong Wang; Zirui Zhai, Houlong Zhuang; Krishnaraju, D.; Qianxuan Wang; Hanqing Jiang. A machine learning-based method to design modular metamaterials. Extreme Mechanics Letters, 100657 (2020).

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-10-06