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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)計框架軟件。
國內(nèi)在超材料方面也涌現(xiàn)出積極的研究，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，活躍的科研單位有東南大學(xué)，中國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，3D科學(xué)谷與谷友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，其通過在亞波長的材料特征尺度上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)賦予的特定功能。超材料一般由有序排列的多個超材料單元組成，而每個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，整個超材料在宏觀上對電場、磁場及聲場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性。
超聲波作為一種機械波，具有動量和角動量，通過對聲場中物體的散射效應(yīng)，產(chǎn)生作用于其上的輻射力。微顆粒或者微構(gòu)件在輻射力場的作用下，穩(wěn)定的俘獲在合成聲場中的聲勢阱即聲壓節(jié)點位置，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)光敏樹脂中營造空間可控聲場，實現(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)備無法實現(xiàn)兩種不同材質(zhì)制備同一結(jié)構(gòu)的問題。根據(jù)計算機仿真數(shù)據(jù)得到的微結(jié)構(gòu)空間排布生成目標(biāo)聲場參數(shù)及其對應(yīng)的相控陣超聲控制參數(shù)，實現(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)合材料的制造在國際上不乏嘗試者。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，英國Bristol大學(xué)通過超聲波來定位數(shù)以百萬計的微小增強纖維，形成一個微觀的加固框架，超聲波的作用與激光束同時作用，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復(fù)合材料。
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