图1负膨胀系数超材料

 

超材料的概念源头可以追溯到1967年由前苏联科学家Veselago提出的“左手材料”。Veselago从理论上研究了介电常数和负磁导率，同时为负值时材料的电磁学性质，表明电磁波在其中传播满足“左手定则”，称为“左手材料”，只是由于没有实验验证，加之当时处于功能材料发展初期，人们对Veselago的发现并未予以足够重视。2001年，美国加州大学圣迭戈分校的Smith等物理学家根据英国帝国理工大学的John Pendry教授提出的构造左手材料的巧妙设计方法，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，从而证明了左手材料的存在。2002年，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可能用于电磁波隐身等。

 

超材料从预想到成为现实，其重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，而在于它让人类创造活动突破了自然物质的束缚，使人们在不违背自然基本规律的前提下通过巧妙设计获得具有超常物理性质的“人造物质”。“超材料”一个较重要的设计理念是巧妙利用材料中的“关键物理尺度”。光子晶体是利用关键物理尺度的控制来实现材料超常物理性质的典型例子，它是通过在波长尺度上材料的介电周期结构来实现对光子在其中运动状态的调控的。

 

近年来，增材制造或3D打印技术作为一种数字化、直接化的制造技术，从形状上来说可以实现“所想即所得”，从材料来说可以实现材料的数字化复合或组合，从尺度上来说可实现从纳米级到米级结构的制造，从而为超材料的加工实现提供了一种快速通道。

 

 

固体材料通常会随温度变化产生膨胀或收缩行为，然而材料的热胀冷缩会降低精密部件的结构稳定性和安全可靠性，甚至破坏材料的功能特性。在光学仪器、微电子器件、航空航天等高技术领域，迫切需要形状和尺寸不随温度变化的结构，以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命。零膨胀、近零膨胀和负膨胀材料成了材料科学的一个重要分支学科，并成为材料科学中一大研究热点。

 

 

图2 投影式微立体光刻3D打印原理

 

材料学和凝聚态物理学研究表明：材料的热膨胀性能由正常的晶格振动决定，但同时还受其他物理效应的影响。当其他因素使单胞的体积随温度升高而缩小，并且作用大于正常原子非简谐振动的效果时，材料表现出负热膨胀性能。经过不断研究，科学家们陆续报道了各种低热膨胀材料以及负热膨胀材料，比如钨酸锆（ZrW2O8）系列负热膨胀材料、锂霞石（LiAlSiO4）、磷酸锆钠（NaZr2P3O12）等。但是由于反常热膨胀材料的热力学性质研究相对较少，从而给合成制备热膨胀系数可调材料带来困难。2016年10月25日，美国劳伦斯利物莫尔国家实验室（LLNL）发布了研究成果，该实验室工程师和麻省理工学院（MIT）、南加州大学、加州大学洛杉矶分校科学家合作，首次利用3D打印技术制备出受热收缩的超材料结构，如图1所示。这个新型结构在降温后还可恢复之前体积，能反复使用，适用于制作温度变化较大环境中所需要的精密操作部件，如微芯片和高精光学仪器等。

 

在制造所设计的负膨胀超材料结构时，麻省理工学院的研究人员采用了投影式微立体光刻（Projection Micro-StereoLithography，PµSL）3D打印技术，其原理如图2所示。工作时，先将不同材料的液滴喷在一个透明窗口上，再通过数字投影机把图案分别投射在需要固化的液滴背面，被光照过的区域就形成固体片状结构，附着在一个样品支架上，窗口上没有曝光的液滴则被清除，如此反复，可以得到所需的复合材料。

 

 

一般常见弹性固体的泊松比ν＝0.3～0.5，即在拉伸时材料的横向发生收缩。而负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。负泊松比材料作为一种可设计的结构材料，直到1987年美国爱荷华大学的Lakes首次通过对普通聚合物泡沫的处理得到具有特殊微观结构的负泊松比材料，这一领域内的研究开始蓬勃发展起来。

 

图3 3D 打印制造的电磁波“地毯式隐身罩”

 

负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势。首先负泊松比效应可以使材料的力学性能得到增强，包括剪切模量、断裂韧性、热冲击强度、压痕阻力等。其次，由于材料的泊松比影响到应力波的传输和反射，应力的消除和在裂纹附近的应力分布，所以负泊松比材料适合制造紧固件或安全带，在受外力时材料的横向膨胀可以抵消外力的作用，从而提高这些部件的抗负荷能力。

 

目前负泊松比材料的制备方法主要分为两类：一是通过对正泊松比材料的变形以及合理铺设方式获得负泊松比效应；二是通过创新材料的构筑方法和技术直接制备负泊松比材料。目前的制备技术仅限于实验室的研究，且材料与结构只能在理想状态下进行制备，与实际工程材料结构的制造有很大差距。然而3D打印技术的应用，无疑对缩小这种差距提供了前所未有的助力。

 

 

电磁超材料是一种介电常数与磁导率可为正、零或负数的，具有负折射、逆多普勒、逆Cerenkov辐射和消逝波放大等效应的人工复合材料。正是由于电磁超材料具有传统的天然材料不同的电磁介质，许多现实应用就此产生。电磁超材料通常由基本谐振单元（如电谐振器、磁谐振器）构成，通过对单元谐振特性的设计可以在特定频段对超材料的等效电磁参数进行有效控制。

 

西安交通大学田小永等采用基于渐变折射率超材料结构设计了“地毯式隐形罩”、“电磁黑洞”等器件，以光固化3D打印技术为制造手段，光敏树脂为基体材料，制作出了这些复杂结构的3D电磁器件。如图3所示，“地毯式隐身罩”的电磁波传输作用是改变因中间凸起部分对入射电磁波产生的散射现象，从而隐藏电磁波对突起内部物体的探测作用。试验结果表明，通过改变单元结构特征参数，实现单胞等效介电常数和折射率的可控设计，可完成电磁波的可控传播，实现电磁隐形。

 

超材料从设计材料学的角度极大地解除了“自然物质特性”对人类创造活动的束缚，3D打印技术从设计制造学的角度解除了“传统制造手段”对人类创造活动的约束，两者的交叉融合应用必将彰显出巨大的价值威力。