就在2017新年伊始，哈佛John A.保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和哈佛Wyss威斯生物啟發(fā)工程研究所的研究人員在哈佛大學(xué)通過多材料3D打印技術(shù)開發(fā)出可重構(gòu)超材料的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)框架軟件。

國(guó)內(nèi)在超材料方面也涌現(xiàn)出積極的研究，根據(jù)市場(chǎng)研究，活躍的科研單位有東南大學(xué)，中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)，西安交通大學(xué)，北京交通大學(xué)等。本期，我們一起來了解西安交大如何將液態(tài)光敏樹脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結(jié)構(gòu)，最終形成固態(tài)光敏樹脂為基材并包裹具有二維空間拓?fù)渑判蛉嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的超材料。

超聲波與超材料

超材料由于具有天然材料不具備的超常物理性質(zhì)，從而擺脫了傳統(tǒng)材料諸多表觀自然規(guī)律的限制，極大拓展了電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科的研究范疇，在航天、航空、電子、通信、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里展現(xiàn)了巨大的潛在價(jià)值和應(yīng)用前景。超材料本質(zhì)上為人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其通過在亞波長(zhǎng)的材料特征尺度上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)賦予的特定功能。超材料一般由有序排列的多個(gè)超材料單元組成，而每個(gè)超材料單元包括非金屬基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的人造微結(jié)構(gòu)，具有不同于基板本身的電、磁、力學(xué)特性。因此，整個(gè)超材料在宏觀上對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性。

超聲波作為一種機(jī)械波，具有動(dòng)量和角動(dòng)量，通過對(duì)聲場(chǎng)中物體的散射效應(yīng)，產(chǎn)生作用于其上的輻射力。微顆?；蛘呶?gòu)件在輻射力場(chǎng)的作用下，穩(wěn)定的俘獲在合成聲場(chǎng)中的聲勢(shì)阱即聲壓節(jié)點(diǎn)位置，近年來超聲波的這種力學(xué)特性在液體環(huán)境中微顆粒的俘獲、聚集及分揀方面已證實(shí)了較好的應(yīng)用潛力。另外，相控陣超聲技術(shù)的突飛猛進(jìn)為合成具有任意聲壓空間分布的聲場(chǎng)提供了便捷手段。

西安交大通過相控陣超聲陣列在液態(tài)光敏樹脂中營(yíng)造空間可控聲場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)光固化制造環(huán)境中規(guī)則排布微結(jié)構(gòu)的非接觸夾持，從而形成既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有基于立體光固化成型的3D打印設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)兩種不同材質(zhì)制備同一結(jié)構(gòu)的問題。根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)得到的微結(jié)構(gòu)空間排布生成目標(biāo)聲場(chǎng)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的相控陣超聲控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光敏樹脂中既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非接觸式穩(wěn)定加持。

固體微粒為金屬微球、高分子微球或碳納米管，其特征尺寸介于20-100微米。固體微粒分散于液態(tài)光敏樹脂前進(jìn)行表面活性處理，使其易于在液態(tài)光敏樹脂中分散，固體顆粒在液態(tài)光敏樹脂中的體積分?jǐn)?shù)不超過1%。

超聲波用于基于光敏樹脂固化工藝用于復(fù)合材料的制造在國(guó)際上不乏嘗試者。英國(guó)Bristol大學(xué)通過超聲波來定位數(shù)以百萬計(jì)的微小增強(qiáng)纖維，形成一個(gè)微觀的加固框架，超聲波的作用與激光束同時(shí)作用，通過超聲波用來誘導(dǎo)材料的微觀結(jié)構(gòu)排列，通過激光束用來固化環(huán)氧樹脂，從而制造出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。