傳統結構設計大多面向力學性能優化，在保證力學性能的同時實現輕量化。隨著高端制造業的發展，構件面臨極端服役環境，具有復雜化、整體化和多功能屬性。多物理場耦合的多功能超材料設計逐漸發展起來。超材料結構往往極端復雜，具有宏微觀跨尺度特點，傳統制造技術難以實現，增材制造技術在制造這類復雜結構方面具有顯著優勢。

      華中科技大學史玉升教授團隊近年來在Materials Today, Bioactive Materials, Acta Materialia, Engineering, Applied Materials Today等期刊上發表系列文章，發展了多場耦合的超材料結構設計方法，建立了仿生設計、有限元仿真、結構計算、實驗驗證與性能預測等模型，突破了多性能耦合設計約束限制，拓展了多性能設計與調控空間，為超材料設計與增材制造技術在航空航天、生物醫療等領域的應用奠定了理論基礎。

本期谷.專欄將分享該團隊在“超材料設計與增材制造”方向上取得的一系列研究成果的核心內容。

多孔結構-來自大自然的靈感
© 3D科學谷白皮書

       華中科技大學史玉升教授團隊在材料類期刊Materials Today上系統闡述了力學、聲學等各類超材料基本原理和典型應用，介紹了典型超材料設計方法與增材制造工藝的研究進展，討論了增材制造多場耦合超材料性能、超材料在設計方法方面的局限性、增材制造技術缺點以及超材料的發展趨勢（Mater. Today, 2021, 50, 303-328）。

圖1 超材料分類及典型應用

 力學超材料

以功能為導向的結構設計，具有成本效益高、省時等優點，擁有較大的發展潛力。通過為給定單元和給定區域構造邊界條件與優化目標，可拓撲設計出新型功能結構。團隊提出了通過均勻化應變拓撲設計最大體模量力學微結構方法，并利用激光選區熔化（SLM）成功制備。通過準靜態壓縮試驗，研究了拓撲優化超材料的力學性能和能量吸收能力。

結果表明，隨著晶格微結構單元數的增加，結構破壞機制從逐層斷裂轉變為45°傾斜斷裂。拓撲優化的晶格結構的相對彈性模量為0.037，優于大多數已報道的晶格結構，設計的晶格結構在0.15應變下能量吸收效率達67.9%（J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177）。

圖2 基于晶格的力學超材料靈感來自原子的堆積和竹子的中空特征。（A） 晶格原子的微觀形態；（B-C）竹子的宏觀和微觀形態特征；（D）仿生八重桁架力學超材料

即便擁有先進的拓撲優化設計技術，當前的力學超材料性能仍遠遠落后于許多生物結構。受中空結構的強韌性竹子啟發，通過SLM成形基于八重桁架力學超材料。在數值模擬的指導下，通過內外直徑來實現仿生力學超材料輕量化，在低密度（1.25 g/cm3）下獲得高壓縮比強度（87.19 kN•m/kg），且不會在八重桁架結構配置中失去各向同性（di =0.59 mm，do=1.10 mm）。研究成果提供了一種仿生設計策略，實現具有各向同性及輕質高強力學的超材料設計與制備（Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268）。

 聲學超材料

吸聲超材料在低頻噪聲吸收領域有著重要意義，傳統吸聲材料被制備后，其結構也隨之固定，無法根據外界噪聲頻率變化做出相應吸收能力的調整。團隊基于聲音頻率共振消聲原理，通過設計迷宮式結構，采用熔融沉積成形FDM 3D訂技術成形了吸聲性能可調的低頻吸聲超材料，根據外接聲波頻率變化而動態調整結構，實現不同頻率噪聲的吸收，吸聲頻率在298-379 Hz寬頻范圍內可調（Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036）。

圖3 五模超材料類流體聲學性能結果。（A）塊體鈦合金聲場云圖；（B）五模超材料聲場云圖；（C）實驗裝置示意圖；（D）總散射界面，定義為各方向散射功率與平面波入射功率的比值

五模超材料是由周期性單胞組成的復雜結構，具有水或流體等有效物理性質，可有效調控水下聲波的傳輸路徑。團隊研究了模擬流體的結構設計、五模超材料的形態特征、有限元法預測的應力分布、力學性能和變形機理；提出了一種兩步優化策略設計五模超材料，建立了水下聲波頻散設計方法，研究成果在中船重工實現了原理驗證（Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199）。

 熱學超材料

輕質高強兼具散熱吸能超材料在航空航天和汽車應用中具有重要意義。團隊受柚皮對果肉屏蔽保護的啟發，提出了柚皮微結構仿生多面體超材料設計方法，實現了優異的散熱和吸能效果。

圖4 受柚皮圖形啟發的多面體晶格結構的形態演變：（A）自然界中的柚子；（B）柚皮的形態；（C）受柚皮圖形啟發的多面體單元；（D）具有各種橫截面形狀的設計支柱

在實驗和數值模擬的指導下，具有圓形支柱的超材料在Re=7000–30000時具有最高的努塞爾數、最低的壓降和摩擦系數，表現出更高的散熱指數；在0.92孔隙率下，熱效率系數超過1，表現出較強的隔熱能力。此外，具有圓形支柱的仿生多面體結構的比能量吸收超越傳統點陣結構，在燃氣輪機和冷卻結構上有著重要應用前景（Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076）。

 生物超材料

孔隙率、模量、骨組織再生、應力屏蔽是骨支架設計中重點考慮的約束條件，團隊提出了一種雙錐支柱設計策略，減少類金剛石多孔金屬生物材料的應力屏蔽，同時保持不變的孔隙率。設計的生物超材料骨支架的彈性模量和屈服強度，與傳統金剛石晶格相比分別低41.46%和46.42%，有利于骨支架力學性能與宿主骨匹配，避免了應力屏蔽（Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331）。

利用五模超材料構建骨支架來平衡孔隙率、力學與傳質等多項性能。與傳統金屬生物材料相比，五模超材料生物超材料骨支架具有分級的孔隙分布、合適的強度等特點，顯著提高了細胞接種效率、滲透性和耐沖擊能力，促進了體內成骨，在細胞增殖和骨再生方面有著廣闊的應用前景（Acta Biomater., 2020, 112, 298-315；Bioact. Mater., 2022, in press）。

圖5 海膽棘及其仿生生物超材料支架的拓撲形態：海膽棘的針狀外觀和梯度孔隙的內部結構。（A）光學圖像顯示了海膽脊椎的自然特征；（B）微觀計算機斷層掃描（CT）圖像在水平視圖和縱向視圖中顯示內部分級孔隙度；（C）SEM圖像在（c1-c2）剖面圖中顯示了精細的內部形態；（D）植入物內多孔支架位置示意圖；（E）仿生梯度生物五模超材料支架；（F） 與水平視圖中的均勻支柱相比，縱向視圖和錐形支柱拓撲中梯度密度的幾何特征

團隊提出基于板格結構超材料設計新型骨支架，這類支架具有的平面壓力狀態不僅提升了力學性能，有效解決了傳統桁架結構骨支架中普遍存在的應力集中問題。模擬與實驗結果表明，本研究成果提出的板格超材料骨支架具有與人骨相匹配的力學與傳質性能，通過各向異性特征對板格超材料骨支架的力學與傳質性能的調控范圍分別高40%和45%。上述發現為新型骨支架的設計與廣泛應用提供重要參考（Acta Biomater., 2022, 148: 374-388）。

 仿晶格超材料

受晶體材料中Hall-Petch關系啟發，團隊構建了具有解耦機械和質量傳輸特性的晶格超材料，以滿足人工骨支架的需要。壓縮實驗和傳質計算結果表明，縱橫比為1和至少4個單元的晶格超材料具有最優的綜合性能。該仿晶格結構的創新設計方法為開發廣泛工程應用的多場耦合超材料提供了無限可能（Acta Mater. 2022, in press）。

圖6 仿晶格超材料生物多孔支架設計示意圖。（A）用于修復骨缺損的人工生物醫學支架示意圖，其中需要同時優化力學和傳質性能；（B）緊密形式排列的金剛石原子架構；SLM制造（C）Al-Cu-Mg和（D）Ti/Al-Cu-Mg樣品側面的EBSD（電子背散射衍射）取向圖；（E）受金剛石原子啟發，具有幾何可設計性的金剛石微晶格；（F）柱狀金剛石微晶格；（G）等軸金剛石微晶格

     團隊提出了一種模仿晶體結構各向異性超材料設計策略，通過構建具有不同的晶面（取向：[001]、[110]和[111]）和晶向（旋轉度：15°/Step）的晶格超材料，實現了彈性響應和質量傳輸性能的獨立調控。結果顯示，力學性能和傳質性能的耦合關系減弱，對晶格超材料晶面和取向方向具有方向依賴性（Compos. Part B, 2022, 236, 109837）。

(責任編輯：admin)

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