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智能超材料的创新特性与应用前景

我国超材料产业正处于风起青萍之末。超材料具有超越天然材料属性的超常物理性能,因而超材料的结构设计理念具有方法论的意义,解除了天然材料属性对创造设计的束缚。随着先进制造技术的进步,具有更多样化、更新奇力学特性的超材料物理模型也相继不断展现。当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成完美契合之时,两者之间相互整合协同创新,正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。

数?#20013;?#24687;化时代的世纪之交,从高效能源生产与存储到医疗成像诸多方面,智能超材料至关重要。智能超材料泛指能够感知外界环境并做出响应的一大类功能材料。智能超材料可通过人工特殊的几何结构设计来调控电磁波和弹性波,展示均匀材料所不具备的新颖奇异力、热、声、光学性能。光学超材料研?#21487;?#20837;,也被拓展到对声?#25512;?#23427;元激发的调控领域,如声学、力学、热学和多物理场耦合的超材料。协同增材制造技术,超材料正成为功能材料研究前沿。

超材料及其创新特性

什么是超材料?一般情况下,可能得到的答案是这样的:超材料(Metamaterials)指的是一种特?#25351;?#21512;材料或结构,通过对材料关键物理尺寸上进行?#34892;?#32467;构设计,使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。因为这就是2015年颁布的电磁超材料术语(GB/T32005-2015)规定的。

而在这里,我们可以换个角度来理解超材料的设计理念(图1)。为了让不同的读者群体理解,可以类比两件事,一是积?#23601;?#20855;,二是电影蒙太奇。

首先,积木是不同几何形状的立体木制或塑料固体玩具,可以进行不同的排列或搭接成各种样式,可拼成房子或是小动物;类似地,超材料也具有由自然材料制成的“积?#31350;欏保?#19981;过尺寸为微毫米级),称为人工原子。用这些人工原子,也可以排列或搭接成具有不同形状和功能的几何结构。如此得到的几何结构不仅仅只是玩具吧?可以做些什么吧?是的,那是一门艺术。

其次,可以通过类比电影蒙太奇理论来理解。蒙太奇(Montage)是来自法语建筑学概念,意为构成和装配。在电影领域引申为剪辑和组合,表示镜头的组接,就是将一系?#24615;?#19981;同地点、从不同距离和角度、以不同方法拍摄的镜头排列组合起来,叙述情节刻画人物。当不同的镜头组接在一起时,往往?#21482;?#20135;生单个镜头所不具有的含义。这一理念使得电影“从一种影像记?#25216;?#26415;走向一种影像创造技术?#34180;?#32780;这种源?#36234;?#31569;概念的创新艺术理念,其?#23616;?#20063;体现在材料创新设计中,超材料就是蒙太奇在材料科学领域的实际应用。具体来说,就是将不同外形属性的几何结构,类似积?#31350;?#30340;人工原子,重新排列组合起来,形成一种新功能材料。当不同的人工原子组接在一起时,也往往会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。这种由不同几何形状材料的人工原子构筑超材料的过程,就是新材料的创新性设计。

为此,当考察一个术语代表什么意思时,这是语义面向,而当结合了其他词语?#25512;?#20351;用角度来考察时,就是处理了该术语的语用面向。无论如何,好的术语定义目的是在于让争辩聚集于事实,也就是说把用语之争转换成事实之辨,从而将理论研?#23458;?#21521;深入探究。不过,科学家们的操作步骤的关键特征无非是最大限度地调用头脑,不受任何拘限地重新组合设计新材料。一般情况下,常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基?#38236;?#20803;及其结构,例如原子、分子、电子、价键、晶格?#21462;?#36825;些基元与显微结构之间存在关联影响。因此,在材料设计?#34892;?#35201;考虑多?#25351;?#26434;的物性因素,而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。为此,超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿,利用人工构筑的几何结构单元,在不违背物理学基本定律的前提下,以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。

简言之,超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料,具有超越天然材料属性的超常物理性能。超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿,从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。从这个角度讲,超材料的结构设计理念具有方法论的意义,解除了天然材料属性对创造设计的束缚。尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形,不过直?#20004;?#21313;年来,方才开启研发电磁波的调控,以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。随着先进制造技术的进步,具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时,两者之间相互整合协同创新,正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。

超材料类型及研究现状

材料的属性,不是仅仅由一种物性决定,也不是几种晶体学特性的总和,或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的,而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系,也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的,而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性,发挥着其应有的可利用价值。例如,需要一?#32622;?#24230;低的轻质材料,那么就要把质量密度和强度放在一起来考量。“人们只有与线性思想决裂,才能以既统一又特定的方式解释实践的无限多样性,从而致力于重建表现在每个因素中的错综复杂的关系?#20445;?#24067;尔迪厄《区分》)。超材料的人工几何结构设计,其中一个显著特点正是从有条理简单的线性体系上升到非线性系?#24120;?#22914;图2所示不同类型的超材料,其中光学超材料基于非线性光学对电磁波进行调控。

光学超材料

光学超材料能够控制电场和磁场,从而可以在正值、负值和接近零值的范围内精确调整介电常数和渗透率。通过对亚波长“人工原子”的精心设计,光学超材料实现了负折射、低于光的衍射极限的光学透镜和隐形效应。电磁波调控可包括数字可编程、光开关、可记忆功能、信息处理器件以及自旋电子器件?#21462;?#21344;应用主导的光学超材料,也适用于在不同频段产生响应的超表面柔性基底大变形及其等离子激元器件。

光学超材料在信息技术应用方面以负折射材料最为典型,它可以获得没有衍射极限的完美透镜,因而对任何微细图形进行多次复制,这对微电子技术将产生重要影响。光学超材料可调控包括太赫兹在内的不同频段电磁波,其应用范围越来越广泛,包括隐身衣、电磁黑洞、?#29366;?#24187;觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型透镜天线、隐身表面、极化转换器、混合集成电路等军事国防领域。

声学超材料

与光学超材料类似,声学超材料是通过人为设计由两种或以上材料构成周期性/非周期性几何结构,其结构单元尺寸远小于波长,该人工结构功能材料可以在长波极限下反演得到相应的?#34892;?#24377;性参数。声学超材料也展现了许多奇异的物理现象和超常规声学效应,如声波?#25512;?#24102;隙、声负折射、声聚焦、声隐身、声定向传输?#21462;?#22312;非线性领域,非谐振声传输线超材料可呈现双负本构参数,并?#20063;灰览?#20110;谐振微单元,具有宽频带和低损耗等优势。结合变换声学和线性坐标变换,可以设计出各向异性的材料参数,以获得声波的隐身效果。这种调节材料?#34892;?#21442;数的方法可以应用到其他变换声学的领域,?#28909;?#35774;计声波全向吸收体、声全向?#25216;?#36752;射、声波幻象或者在声波中实现类光的一些新奇效应?#21462;?/span>

声学超材料可应用于人工声子带隙材料和吸声材料。人工声子带隙材料可以与仿生学结合,?#28909;?#20154;耳识别系?#22330;?#26524;蝇定向系?#22330;?#34649;蝠定位系统?#21462;?#21560;声材料对于音频声学,水下超声的吸声层消声瓦?#20154;?#22768;学,实现薄层、?#25512;怠?#23485;带的吸声效应。此外,还可用于实现亚波长声学信息处理的超高分辨率声透镜、声学器件集成和声场微尺度调控,在分子医学超声成像、微纳结构无损检测等方面?#21152;?#24456;强的应用背景。

热学超材料

自然材料的热导系数在空间均匀分布,热量从温度高的一端直线流向温度低的一端。这是人们所熟知的热传导模式。借助于已经成熟的光学超材料对光波的调控机理,基于对宏观热扩散方程的空间变换,热学超材料可以实现热流的“空间压缩?#20445;?#20174;而调控热流方向。通过构造不同空间分布的非均匀热输运介质,可实现对热流方向的精确控制,使得热流可?#21248;?#36807;目标物体或者聚焦于目标物体,产生诸如热隐身、热反转、?#28982;?#32858;以及热伪装等奇特功能。

热学超材料是可感知外部热源并主动响应、人工构造而实现热导系数非均匀分布的功能材料,主要可用于微纳米结构的热电转换,如控制热流和利用热能,以及利用声子进行信息传输和处理。其中热二极管、热三极管、热逻辑门、热存储器等概念,奠定了声子学的理论基础。为此,热能超材料将会在很多领域有巨大的潜在用途,如建筑节能材料、太阳热能利用、新一代低能耗绿色微/纳米电子器件、隔热保护、热辐射伪装、?#20808;然?#25910;和应用、控制热量定向辐射可制成航空器(卫星)蒙皮?#21462;?#27492;外可以同时控制信息和热能耗散,这将是未来低能耗绿色电子器件的发展方向。

力学超材料

在光学和声学超材料成功研发的基础上,力学超材料已被开发用于获得特殊或极端弹性张量和质量密度张量,从而以前所未有的方式,塑造着静态应力场或纵向/横向弹性振动流场。这些超常的力学性能主要包括负?#27492;?#27604;、负弹性、负刚度、负可压缩性。如图3所示,常规材料被拉伸时收缩,而负?#27492;?#27604;材料在拉伸时是会膨胀的。在静水压力作用下常规材料会收缩,而负可压缩超材料却?#29615;?#24120;态,在外力作用下不会收缩,反而出现一个或两个方向上的膨胀效应。目前,正在开发的典型力学超材料包括负?#27492;?#27604;拉胀、轻质超强、负质量密度、负模量、五模式反胀、各向异性质量密度、折纸、非线性、双稳态、可重编程和地震波屏蔽等类型和结构的力学超材料。

力学超材料是基于多孔、手性/反手性、五模式等复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料。利用3D打印技术可以制造个性化多样化的不同几何结构材料,图3显示的是正负?#27492;?#27604;可编译调节在-12到12之间的负?#27492;?#27604;拉胀材料。其呈现的高压痕抵抗性、抗剪切性、能量吸收性和断裂韧性,可?#34892;?#22320;应用于形状记忆和生物假体等组织工程和生物医疗。这些新型的静态弹性力学超材料将在复合材料工业应用、拉胀滤网、拉胀纤维、航空航海材料、深海抗压材料,新型吸声抗震材料、防弹衣等方面有广泛应用前景。?#28909;?#21033;用拉胀材料结合变换光学,实现压力智能控制的微波隐身材料。

负热膨胀超材料

大部分自然材料热膨胀系数为正值,即体积会随着温度的增加而变大,在温度下降时体积也会减小。存在一些特殊材料,某个温度区间内热膨胀系数为负数的材料,称之为负热膨胀材料。不过这类自然材料可调控的温度空间比较窄,尤其是在外部空间中从-150℃到150℃,出现较大的温度波动应用时。为此,负热膨胀超材料是指一类人工构筑的几何结构材料,当被加热时整体几何结构中出现一个方向或是多方向的收缩效应,并拓宽从正值到负值的热膨胀系数范围。

在室温下表现出的负热膨胀的力学超材料具有多种应用,主要用于控制各?#25351;?#21512;材料的整体热膨胀。具有低热膨胀系数的材料对温度变化不太敏感,因此在诸多工程领域中都是?#34892;?#27714;的,例如精密仪器、扫描电子显微镜、柔性电子设备、生物医学传感器、热致动器和微机电系?#22330;?#20302;热膨胀系数材料在航空航天部件中也特别重要,例如天基镜和卫星天线,这些部件构建在地球上但在外部空间中操作,其中宽温度波动可能导致不希望的形状和尺寸收缩。负热膨胀系数超材料可调节零或负热膨胀系数,可用于卫星天线、空间光学系?#22330;?#31934;密仪器、热执行器和微机电系?#24120;?#25552;高可调温度范围至1500℃,提高负热膨胀系数30%,可达到高温条件下材料零膨胀特性。

超材料的应用前景

基于思想实验的超材料研究充满了创新的机遇与创意的美感,为科学原理在诸多领域的应用提供广阔的空间,也为解决人类面临的重大技术和工程问题提出了一种崭新的思路。我国超材料产业正处于风起青萍之末。现有智能超材料的产业应用虽说多限于军事国防、部分公共设施等少数领域内,?#24418;?#22312;国民经济相关领域得到大规模推广,不过未来不会仅限于此,超材料产业可以更具多样化。如太赫兹超材料技术在石油勘测,可编程可穿戴超材料在纺织品工业,无线充电光学超材料在电动汽车等交通工具,电磁超表面在航空航天蒙皮材料,以及在移动通信中的无线信道技术?#21462;?#36825;些愿景无疑有助于鼓励一批创新能力较强的超材料骨干企业向纵深和多元化发展。

未来十年,电磁超材料将在原理摸索和工程应用相结合的基础上,实现大规模产业化。在智能超材料领域,超材料微结构单元或群体将具备自感知、自决策、可控响应等功能,通过与数字网络系?#25104;疃热?#21512;,形成材料级的CPS系?#24120;?#24182;结合大数据技术,实现材料领域的突破式?#26102;洹?#26410;来十年,智能超材料技术将完成工程产品的全面转化,并在复杂电磁环境下联合智能作战平台、智能隐身装备、智能可控电磁窗、下一代?#29366;鎩?#31435;体电子战、飞行器智能网络、车辆交通智能网络、可穿戴设备智能网络、超材料智能物联网等实现颠覆式产业应用。在隐身作战方面,随着各类隐身结构件及隐身电磁窗设计技术的不断成熟,武器装备在红外波段到P、VHF波段的隐身性能全面提高,被?#29366;?#25506;测距离有望缩短90%以上。同时,电磁超材料的设计、仿真和加工能力将大幅提升,工作频谱将从微波进一步拓展到毫米波、太赫?#21462;?#20809;波段等;超材料的形式也由无源被动向智能可控、数字化可编程等主动方式演变。在天线方面,低成本、轻量化的共形天线设计技术将更为成熟,具备低副瓣、宽频带、低色散、可变覆盖范围等超出传统天线性能的超材料新型天线将全面走向应用。基于陶瓷和纳米材料等新体系的电磁超材料将日趋成熟,电磁超材料的应用广度和深度将不断拓展。

据预计,全球超材料市场规模可达14.3亿美元;2017-2025年复合年增长?#24335;?#36798;63.1%。超材料研究和应用?#27493;由?#21040;声、热、力学等领域。基于声学超材料的新型隔声技术能实现飞机、坦克、运兵车、指挥所,乃至单兵降噪军服和?#25151;?#31561;军事装备的声学隐身;声学超材料有望?#20204;?#33351;穿上“隐声衣?#20445;?#20174;而不被?#25512;?#22768;纳?#25512;?#20182;超声波设备探测到。热学超材料因可控热辐射和可控热传导的特异性能,有望为所有的作战单元(包括飞机、舰艇、导弹、单兵等)穿?#20808;?#38544;身外衣,不仅实现热学隐身,更能减少恶劣气候(高寒、酷热)引起的非战斗减?#20445;弧叭然?#35937;伪装术?#34987;?#33021;使作战单元躲避敌方热/红外探测仪侦测。力学超材料因负?#27492;?#27604;、负压缩转换等特性,可用于制造触觉?#25918;瘛?#32784;压缩/耐拉伸材料、弹性陶瓷、可编程橡胶海绵、轻质高强材料等,在?#25512;?#21171;发动机零件、防震动蒙皮、航空航天轻质高强结构等领域有广泛应用前景。

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