面向航空航天的增材制造超材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)*

宋 波，張 磊，王曉波，范軍翔，魏帥帥，張 志，李敬洋，祁俊峰，史玉升

（1. 華中科技大學(xué)，武漢 430074；2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多面向力學(xué)性能優(yōu)化，在保證力學(xué)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化目的，達(dá)到節(jié)能降耗的效果，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1–4]。然而，高端裝備對(duì)多功能構(gòu)件的設(shè)計(jì)需求越來(lái)越高，僅考慮力學(xué)性能與輕量化耦合設(shè)計(jì)已難以滿足多功能構(gòu)件的需求，基于多物理場(chǎng)耦合的多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與基于環(huán)境激勵(lì)響應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展起來(lái)。這類具有特殊物理性能、多性能耦合或智能響應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也被稱為超材料[5–8]。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)已趨于成熟，根據(jù)受力條件，利用拓?fù)鋬?yōu)化工具可設(shè)計(jì)出兼具力學(xué)性能與輕量化的超材料結(jié)構(gòu)。然而，僅以受力條件與輕量化為目標(biāo)導(dǎo)向的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的構(gòu)型復(fù)雜，傳統(tǒng)的制造技術(shù)難以成形。增材制造技術(shù)因其逐層逐點(diǎn)成形的特點(diǎn)，在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，成形對(duì)象由最早的結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐漸發(fā)展到目前的功能構(gòu)件與智能構(gòu)件，在航空航天、航海以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，增材制造技術(shù)也有成形局限性，目前面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)考慮的約束僅有宏觀約束，包括支撐形式、表面粗糙度、制造精度等[9]，導(dǎo)致較多力學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然具有很好的理論性能，但是成形構(gòu)件的性能較差。因此，將增材制造技術(shù)約束引入結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)與性能可控的多尺度拓?fù)湓O(shè)計(jì)的有效手段，也是未來(lái)力學(xué)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著高端裝備對(duì)構(gòu)件多功能需求的不斷增長(zhǎng)，基于多物理場(chǎng)耦合的多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為新的發(fā)展方向。以特定目標(biāo)功能為導(dǎo)向，基于聲/固、磁/固、熱/固等多物理場(chǎng)的耦合特性，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型功能材料，可實(shí)現(xiàn)自然材料不具備或者難以實(shí)現(xiàn)的功能，如聲波、電磁、熱隱身。此類具有特殊功能的新型材料在航空航天領(lǐng)域具有極高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外方面，Ergin 等[10]基于電磁/固多物理場(chǎng)，以面心立方FCC 結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出三維電磁隱身斗篷，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為1.4～2.7 μm 電磁波范圍內(nèi)的隱身。Zigoneanu 等[11]基于聲/固多物理場(chǎng)，設(shè)計(jì)出錐形的三維聲波隱身斗篷。國(guó)內(nèi)方面，Han 等[12]基于熱/固多物理場(chǎng)耦合模型，設(shè)計(jì)出具有熱隱身功能的熱超材料。超材料的特殊功能通常是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，一般具有復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[13]，因此，增材制造技術(shù)成為一種理想的成形方式。

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生。智能結(jié)構(gòu)是指在外界物理場(chǎng)（熱場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力場(chǎng)等）的刺激下能夠按照預(yù)定模式進(jìn)行形狀或性能變化的結(jié)構(gòu)，在變體機(jī)翼、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[14–15]。國(guó)外方面，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Faber 等[16]采用仿生設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了具有雙穩(wěn)態(tài)彈性自折疊仿生蠼螋飛翼結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)方面，華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)和吉林大學(xué)韓志武團(tuán)隊(duì)受生物體自感知功能的啟發(fā)，通過(guò)增材制造方法將超敏仿蝎子縫感受器結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電形狀記憶材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了器件的溫度自感知和應(yīng)變自感知功能，能夠模擬類似手指主動(dòng)觸碰手機(jī)屏幕的功能，將觸碰信號(hào)通過(guò)電阻進(jìn)行反饋[17]。值得注意的是，現(xiàn)有智能構(gòu)件的設(shè)計(jì)僅關(guān)注構(gòu)件幾何形狀的變化，尚未建立智能構(gòu)件形狀/性能/功能一體化可控/自主變化的方法，在涉及到外界物理場(chǎng)刺激對(duì)于結(jié)構(gòu)件性能的影響規(guī)律時(shí)，也缺乏一套行之有效的設(shè)計(jì)方法。

本文對(duì)目前在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的超材料發(fā)展進(jìn)行了整理歸納，從力學(xué)構(gòu)件、功能構(gòu)件和智能構(gòu)件分述超材料設(shè)計(jì)與增材制造的研究現(xiàn)狀，闡述了增材制造技術(shù)在不同類型超材料中的應(yīng)用方式、局限性以及發(fā)展趨勢(shì)等。在進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合的多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮部件所處環(huán)境的各個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，還要考慮增材制造技術(shù)的約束能否成形出多功能構(gòu)件。

1 力學(xué)超材料

近年來(lái)，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)超材料不斷涌現(xiàn)。力學(xué)超材料 （Mechanical metamaterials，MMs）是指通過(guò)對(duì)構(gòu)件微結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)，使其具備超常規(guī)或反常規(guī)力學(xué)性能的新型人造結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，具有超輕、超強(qiáng)、超高吸能等特性，使其用于飛行器著落架時(shí)可提升穩(wěn)定性和飛行安全性，因此在航空航天領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 負(fù)泊松比力學(xué)超材料

負(fù)泊松比超材料是一種受到拉伸載荷 （沖擊載荷）時(shí)，垂直方向產(chǎn)生膨脹 （收縮）效果的一種特殊結(jié)構(gòu)，其抗沖擊性能和吸能減振效果高于常見(jiàn)的正泊松比材料，可用于制造航空航天、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域中抗沖擊、減振零部件。

負(fù)泊松比超材料從以往的二維結(jié)構(gòu)發(fā)展到三維結(jié)構(gòu)，其實(shí)用性也大幅增加，內(nèi)凹六邊形蜂窩是常見(jiàn)的二維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)[18–19]，但是這種結(jié)構(gòu)中的尖銳部分導(dǎo)致承受外力時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中，使其強(qiáng)度下降，抗疲勞性降低。Jiang 等[20]設(shè)計(jì)出環(huán)形蜂窩芯負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)中的尖銳部分，降低應(yīng)力集中。然而，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度依然較低。Chen 等[21]采用連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)和3D 打印技術(shù)聯(lián)合手段制備負(fù)泊松比超材料，提高了超材料的彈性模量，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為2.8%時(shí)，碳纖維增強(qiáng)尼龍?jiān)嚇拥挠行椥阅Ａ刻岣吡?14.3%；尼龍?jiān)嚇又刑祭w維體積分?jǐn)?shù)每增加1%，有效彈性模量和抗壓強(qiáng)度分別提高了98.9%（135 MPa）和111.6%（2.4 MPa）。

然而以上負(fù)泊松比超材料均為二維結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中依然存在較大局限性。任鑫等[22]將以往的內(nèi)凹平面蜂窩六邊形結(jié)構(gòu)變更為“拱”狀，內(nèi)凹六邊形拱結(jié)構(gòu)在豎直方向受壓時(shí)，拱結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的壓縮特性。然而，這種手段導(dǎo)致結(jié)構(gòu)很難根據(jù)需求制備出特定形狀。Kim 等[23]設(shè)計(jì)出一種具有雙重泊松比和三剛度的混合堆疊三維超材料，并建立了超材料的本構(gòu)模型，通過(guò)在正交平面上布置正、負(fù)泊松比的三維結(jié)構(gòu)，使其相互垂直放置，合成了混合堆疊負(fù)泊松比三維結(jié)構(gòu)。負(fù)泊松比超材料目前已經(jīng)突破二維負(fù)泊松比的壁壘，不僅可以呈現(xiàn)出多方向的負(fù)泊松比，還可根據(jù)所需形狀設(shè)計(jì)構(gòu)件，這將極大擴(kuò)展負(fù)泊松比超材料的實(shí)際應(yīng)用范圍。

1.2 負(fù)熱膨脹超材料

在空間環(huán)境下，航天器承受劇烈溫度變化，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱變形可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，削弱甚至破壞材料的功能特性。如高超聲速飛行器表面熱防護(hù)系統(tǒng)的溫差會(huì)引發(fā)不同材料之間的熱變形不匹配，極易造成層間熱應(yīng)力失效；衛(wèi)星運(yùn)行中經(jīng)歷的晝夜溫差會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力不匹配，造成結(jié)構(gòu)破壞；通信衛(wèi)星天線支架過(guò)大的熱變形會(huì)影響天線與地面之間正常通信。尤其對(duì)于搭載高精度載荷的定向觀測(cè)、空間場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星，熱變形直接影響結(jié)果的清晰度、準(zhǔn)確度和正確度，對(duì)其控制要求更加嚴(yán)苛。通常結(jié)構(gòu)在溫度影響下，整體結(jié)構(gòu)變形量需控制在1 μm 以下。對(duì)載荷平臺(tái)結(jié)構(gòu)熱變形的高要求加大了產(chǎn)品的研制難度，因此對(duì)材料的熱膨脹行為進(jìn)行準(zhǔn)確控制，使材料在環(huán)境溫度變化時(shí)獲得近“負(fù)膨脹”的優(yōu)異性能具有極高的應(yīng)用價(jià)值。負(fù)熱膨脹超材料是在加熱過(guò)程中收縮而不是拉脹。這通常與結(jié)構(gòu)在一個(gè)或多個(gè)方向上冷卻時(shí)收縮和加熱時(shí)拉脹有關(guān)[24]。同時(shí)，動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性是負(fù)熱膨脹超材料的另一個(gè)來(lái)源[25]。但以上特殊現(xiàn)象在自然界中很少見(jiàn)，對(duì)負(fù)熱膨脹超材料結(jié)構(gòu)的廣泛探索是受到負(fù)泊松比超材料深入研究的啟發(fā)。這種特殊效應(yīng)代表系統(tǒng)的溫度、能量和熵在供熱的同時(shí)會(huì)降低，因此負(fù)熱膨脹超材料遵循能量守恒定律。

當(dāng)忽略剪切項(xiàng)時(shí)，從熱力學(xué)形式主義的角度來(lái)看，各向異性材料中的熱膨脹導(dǎo)致的可壓縮性如式 （1）所示[26]。

式中，CT為等溫比熱；V為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)體積；Sij為彈性柔量；γij為各向異性Gruneisen 函數(shù)的分量，表示Gruneisen參數(shù)各向異性模態(tài)的權(quán)重[25]。并且一般采用Ki=∑j Sij來(lái)代替公式的偏數(shù)，其中Sij在材料各向異性時(shí)為負(fù)，γi在單軸NTE 時(shí)為正，如式（2）所示[26]。

式中，γji=γj–γi。對(duì)于柔性骨架材料，它會(huì)出現(xiàn)γjj<<γi，換句話說(shuō)，Gruneisen函數(shù)可視為各向同性。雖然熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)值，但當(dāng)材料呈現(xiàn)正熱膨脹時(shí)，αi可能對(duì)應(yīng)于負(fù)Ki。

研究人員試圖將具有拉脹成形的平面蜂窩手性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到負(fù)熱膨脹系數(shù)超材料，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的可控?zé)崤蛎?。在手性?fù)泊松比點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中 （圖1[19，27–29]），點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的有效熱膨脹系數(shù)α值約為–3.5×10–4K–1[30]。熱膨脹系數(shù)α與特定曲率ρs有關(guān)，有式中，r是節(jié)點(diǎn)外半徑；Lrib是肋長(zhǎng)度；ρs是雙材料肋段因溫度變化而彎曲時(shí)的半徑曲率。

在圖1（a）[19]和（b）[27]中，明暗分別呈現(xiàn)兩種熱膨脹不同的材料[30]。應(yīng)變與結(jié)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)角φ有關(guān)，溫度的變化導(dǎo)致雙材料段彎曲并產(chǎn)生半徑為ρ的曲率[31]。Gatt 等[28]提出了一種特殊的雙材料手性蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，對(duì)桿件進(jìn)行了修改，將圓形變?yōu)榉叫?，如圖1（c）所示，肋條由兩種厚度不同的材料組成，顯示為圖中的藍(lán)色和紅色。Lakes[29]提出了一種多孔固體，其具有無(wú)限大小的可調(diào)正或負(fù)熱膨脹，如圖1（d）所示，命名為十四面體和具有彎曲雙材料肋的泡沫多孔超材料。

圖1 手性負(fù)泊松比點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.1 Chiral lattice structure with negative Poisson’s ratio

負(fù)膨脹系數(shù)超材料在之前的研究中被稱之為手性結(jié)構(gòu)[27]，后來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罱Y(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)三角形[32]、方形和針狀?yuàn)A雜物[33]。基本原理是在曲線的外側(cè)放置一種高膨脹材料，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)熱膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)[29]，換句話說(shuō)，特殊結(jié)構(gòu)在粘合兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料時(shí)會(huì)彎曲[28]。分析表明，點(diǎn)陣幾何結(jié)構(gòu)在決定點(diǎn)陣材料的機(jī)械反應(yīng)方面具有重要意義。因此，雙材料可用于負(fù)熱膨脹系數(shù)超材料的組件結(jié)構(gòu)。

1.3 板格力學(xué)超材料

三維桁架點(diǎn)陣超材料相較于傳統(tǒng)泡沫結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，因此已被廣泛研究[3–4，34]。Zheng 等[1]提出了一種可通過(guò)投影微立體打印技術(shù)成形的微觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)超材料，并發(fā)現(xiàn)此類結(jié)構(gòu)具有超高強(qiáng)度與剛度等優(yōu)異力學(xué)性能。然而，即使最優(yōu)異的桁架點(diǎn)陣超材料也無(wú)法取得各向同性材料的理論極限剛度。最新研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)輕質(zhì)材料 （蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)等）和桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)超材料，板格超材料（Plate lattice metamaterials，PLMs）擁有更好的力學(xué)性能，其比強(qiáng)度和比剛度接近各向同性材料的理論上限（Hashin-Shtrikman 上限）[13，35–36]。

圖2[13，35，37]為不同板格超材料的結(jié)構(gòu)形式及其力學(xué)、物理性能。Berger等[13]基于啟發(fā)式優(yōu)化策略，利用有限元模擬，提出了力學(xué)性能可以達(dá)到Hashin-Shtrikman 上限的板格結(jié)構(gòu)形式（圖2（a）），研究結(jié)果顯示其力學(xué)性能遠(yuǎn)超同等密度下的桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)超材料（圖2（b））。Tancogne-Dejean 等[35]設(shè)計(jì)了多種復(fù)合板格結(jié)構(gòu)超材料（圖2（c）），并利用激光直寫(xiě)（Direct laser writing，DLW）實(shí)現(xiàn)了具有各向同性強(qiáng)度與剛度的復(fù)合板格超材料制備，結(jié)果顯示其剛度約為同等質(zhì)量桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3 倍（圖2（d））。Li 等[37]設(shè)計(jì)了多種復(fù)合板格結(jié)構(gòu)超材料（圖2（e）），并通過(guò)試驗(yàn)與模擬研究了其吸能、吸聲等物理性能（圖2（f））。但是，由于板格超材料通常具有極其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的材料加工工藝難以實(shí)現(xiàn)一體化成形，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用和推廣。增材制造的發(fā)展有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)構(gòu)件的快速制造[38]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)板格超材料的研究尚處于起步階段，采用激光選區(qū)熔化、光固化等增材制造工藝成形時(shí)面臨諸多約束問(wèn)題[39]。例如，板格結(jié)構(gòu)中存在大量的密閉腔體，采用激光選區(qū)熔化、光固化等工藝成形時(shí)，腔體內(nèi)部的金屬粉末難以清除。在制備板格超材料時(shí)，在每塊板的中央設(shè)計(jì)了圓形微孔，以清除殘留在腔體中的原材料。然而，當(dāng)采用與板厚相當(dāng)?shù)目讖匠叽鐣r(shí)，開(kāi)孔勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能產(chǎn)生巨大的影響。其次，板格超材料開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律尚不明晰，其在開(kāi)孔前后的變形機(jī)制也有待研究。目前，對(duì)板格超材料的設(shè)計(jì)主要集中在單一尺度，板格超材料的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。此外，目前僅有少量對(duì)單一尺度下的板格超材料進(jìn)行均勻復(fù)合的設(shè)計(jì)報(bào)道，以結(jié)構(gòu)單胞為基元對(duì)板格超材料進(jìn)行非均勻構(gòu)型化復(fù)合是實(shí)現(xiàn)板格超材料力學(xué)性能進(jìn)一步提升的新思路。綜上所述，板格超材料的研究尚處于起步階段，其成形工藝優(yōu)化與性能提升機(jī)制亟待研究，但其所具有的多孔結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的力學(xué)性能，使其在航空、航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出極高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 板格超材料結(jié)構(gòu)形式及其力學(xué)、物理性能Fig.2 Structural form, mechanical and physical properties of plate lattice metamaterials

2 功能超材料

2.1 聲學(xué)超材料

在航空航天工業(yè)中，飛機(jī)或航天器發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲，在距離聲源1～1.5 m 處，噴氣飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲約為130～150 dB，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲可達(dá)160 dB 以上[40]，遠(yuǎn)超人耳可以承受的范圍，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體健康。因此，為航天員或飛機(jī)乘客提供一個(gè)舒適良好的乘用環(huán)境具有重要意義。研究顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的聲壓級(jí)較高的噪聲頻率大多處于250 Hz 以下[41]，屬于低頻聲波。聲波的隔聲遵循隔聲質(zhì)量定律，具體表述為

TL= 20lg（f）+20lg（M）–42 （4）式中，TL 為隔聲量，dB；f為聲波頻率，Hz；M為隔聲體的面密度，kg/m2。定律表明，高頻聲波更容易被阻隔，而低頻聲波穿透能力更強(qiáng)。當(dāng)聲波頻率較低時(shí)，要想取得較好的隔聲效果，需要較大的面密度，這違背了航天器降低重量的目標(biāo)。例如，對(duì)于頻率為200 Hz 的噪聲，要想取得40 dB的隔聲量，需要的面密度為63 kg/m2，對(duì)于航天器而言，顯然難以接受。聲學(xué)超材料，可以解決這一問(wèn)題。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的尺度上實(shí)現(xiàn)低頻聲波的完美吸收，接近或達(dá)到因果律的極限[42]。由于聲學(xué)超材料通常需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或者多材料實(shí)現(xiàn)，增材制造技術(shù)在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，為聲學(xué)超材料的成形提供了一個(gè)更加優(yōu)化的方案。

近年來(lái)，研究者們?cè)诮翟肼晫W(xué)超材料的研究方面取得了顯著的進(jìn)展，發(fā)展出了眾多的吸聲超材料類型，如薄膜諧振器[43–44]、微穿孔板吸聲器[45–47]、插管共振器[48–49]等。Yang 等[43]設(shè)計(jì)出一種薄膜型隔聲超材料（圖3（a）），通過(guò)多層堆疊，以15 kg/m2的面密度實(shí)現(xiàn)了50～1000 Hz 頻率范圍的寬頻隔聲，且平均隔聲量超過(guò)了40 dB（圖3（b）），樣品厚度僅為60 mm，遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)。這種類型的超材料利用了局域共振的效果，提高了聲波的傳遞損耗，從而實(shí)現(xiàn)高效的隔聲。Li 等[45]創(chuàng)造性地將微穿孔板吸聲體的空腔部分“卷曲”起來(lái)，從而極大地減小了吸聲體的厚度，在遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的尺寸下可以實(shí)現(xiàn)幾乎100%的吸聲系數(shù)（圖3（c）和（d））。然而，這種吸聲超材料是基于局域共振而實(shí)現(xiàn)的，只能在很窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的吸聲效果。經(jīng)過(guò)吸聲超材料的逐漸發(fā)展，低頻帶的寬頻吸聲超材料也取得了巨大進(jìn)展。Yang 等[42]利用因果律約束描述了寬頻吸聲結(jié)構(gòu)的極限，提出了一種在目標(biāo)吸聲性能下樣品厚度接近最小值的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略（圖3（e）和（f））。通過(guò)這種方法，設(shè)計(jì)了400～3000 Hz頻率范圍內(nèi)接近完美吸聲的超材料，樣品厚度為10.86 cm，而根據(jù)因果律約束，樣品最小厚度為10.36 mm。由于這些吸聲超材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性，傳統(tǒng)加工方式難以成形，增材制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用，成形出來(lái)的結(jié)構(gòu)也具有良好的吸聲效果，與模擬仿真取得了較好的符合[42，48–52]。

圖3 不同類型的吸聲超材料Fig.3 Different types of sound-absorbing metamaterials

上述吸聲超材料的厚度都遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，當(dāng)其平面鋪展時(shí)，可以與飛行器表面完美的貼合，用于飛行器的內(nèi)飾以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的巨大噪聲。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，則可以采用耐高溫的金屬材料成形出吸聲超表面進(jìn)行鋪展，達(dá)到更好的吸聲效果。

2.2 電磁超材料

電磁波探測(cè)是探測(cè)空中航行器、水面艦船甚至于潛艇的最主要手段，基于不同波段電磁波的不同類型的雷達(dá)對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈、水面艦船造成了嚴(yán)重威脅。對(duì)于航空航天裝備來(lái)說(shuō)，隱蔽性是其成功完成使命任務(wù)的關(guān)鍵，而電磁波作為深空探測(cè)的主要通訊工具，是其面臨的主要威脅。研制新型電磁超材料及其器件，降低反射電磁強(qiáng)度，提高航空航天裝備的探測(cè)和通訊能力，對(duì)配合國(guó)家軍事發(fā)展戰(zhàn)略，研制具有高度實(shí)用價(jià)值和生存能力的航空航天裝備具有重要意義?？蒲泄ぷ髡邆儾捎迷S多途徑來(lái)應(yīng)對(duì)電磁波探測(cè)，其中最重要的一種方法就是敷設(shè)隱身涂層。通過(guò)在裝備表面涂上吸聲涂層，可以吸收發(fā)射到裝備表面的電磁波，減少來(lái)自雷達(dá)等電磁探測(cè)系統(tǒng)的反射波，從而減少被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的可能性。但是吸聲涂層存在嚴(yán)重的缺陷，除造價(jià)昂貴、使用壽命短需經(jīng)常更換外，由于吸波機(jī)理的限制，吸聲涂層的有效頻率范圍比較窄，不能同時(shí)應(yīng)對(duì)不同波段電磁波的探測(cè)。電磁超材料 （Electromagnetic metamaterials，EMMs） 是一種人造復(fù)合材料/結(jié)構(gòu)，具有周期性/準(zhǔn)周期性微結(jié)構(gòu)，有天然材料所沒(méi)有的奇異電磁特性。材料對(duì)電磁波的響應(yīng)通常由磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε兩個(gè)物理參數(shù)表征，這兩個(gè)物理參數(shù)可通過(guò)母材性質(zhì)、拓?fù)湓O(shè)計(jì)和微結(jié)構(gòu)空間分布等進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)不同磁導(dǎo)率和介電常數(shù)介質(zhì)的等效電磁特性，EMMs 可分為普通材料、單負(fù) （負(fù)ε或負(fù)μ）材料、雙負(fù)材料、零折射率材料 （又稱左旋材料）。EMMs 的主要傳統(tǒng)制作和實(shí)現(xiàn)方法包括光刻、印刷電路板加工、石墨烯基材料、全介質(zhì)共振、層狀各向同性材料組合和光子晶體等。由于其優(yōu)異的物理性能和靈活的操作方式，自21 世紀(jì)初引起研究者的興趣以來(lái)，EMMs 受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并在軍事工業(yè)、通信和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了迅速的應(yīng)用，取得了飛快發(fā)展。

EMMs 隱身斗篷在理論上是基于變換光學(xué)方法，通過(guò)建立材料–結(jié)構(gòu)–性能的本構(gòu)參數(shù)與坐標(biāo)變換之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)控制光的傳播路徑。這種光學(xué)變換技術(shù)使人們能夠設(shè)計(jì)出具有高自由度調(diào)制電磁波的光學(xué)元件，從而產(chǎn)生許多特異的電磁功能。在微波頻率下，通過(guò)構(gòu)造開(kāi)口諧振環(huán)獲得平面空間的梯度磁導(dǎo)率，利用變換光學(xué)實(shí)現(xiàn)了電磁隱身的首次試驗(yàn)演示。近年來(lái)，3D 打印技術(shù)為高效率、高精度地制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了契機(jī)。Yin 等[53–54]利用基于變換光學(xué)和準(zhǔn)保角映射的梯度折射率設(shè)計(jì)了自由空間地毯隱身，并利用光固化樹(shù)脂立體光刻制備了具有光滑連續(xù)梯度微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜三維樣品，如圖4（a） ～（c）所示。然而，作為實(shí)現(xiàn)隱身效果的關(guān)鍵部件的磁諧振器，由于在光頻域內(nèi)難以小型化，往往比隱藏物體體積更大，否則會(huì)產(chǎn)生電子的高損耗等問(wèn)題。最近提出了通過(guò)引入突變相位來(lái)選擇性控制波前的超表面，其中地毯斗篷是超表面的代表性隱身裝置。此外，Ergin 等[10]利用DLW 光刻儀，基于面心立方金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體，設(shè)計(jì)、制作并表征了三維隱形隱身結(jié)構(gòu)。電磁地毯隱身的突出優(yōu)點(diǎn)是其超薄特性，最大缺點(diǎn)是其方向性，即只能對(duì)特定入射方向的電磁波實(shí)現(xiàn)電磁隱身。當(dāng)入射方向改變時(shí)，隱身效果顯著降低。與基于變換光學(xué)或超表面的地毯斗篷相比，Zhu 等[55]利用積分成像技術(shù)的概念提出了一種用于整體成像和隱身的復(fù)合木樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，可以簡(jiǎn)單地使用熔融沉積3D 打印技術(shù)大規(guī)模制作隱身斗篷 （圖4（f）），而且它的厚度只有1.4 mm，而物體的高度為4.7 mm。

圖4 電磁隱身超材料構(gòu)件Fig.4 Electromagnetic stealth metamaterial components

2.3 熱隱身超材料

隨著熱學(xué)超材料的出現(xiàn)，許多新穎的熱功能已經(jīng)被提出，包括熱隱身、熱濃縮、熱偽裝和熱錯(cuò)覺(jué)等，在航空航天領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。其中，錯(cuò)覺(jué)熱學(xué)是通過(guò)創(chuàng)造與環(huán)境背景相似的溫度場(chǎng)來(lái)誤導(dǎo)主動(dòng)熱探測(cè)器，從而達(dá)到熱隱身的目的。目前實(shí)現(xiàn)熱隱身器件的方法主要有變換熱學(xué)方法和散射對(duì)消方法，但各向異性的熱學(xué)特性和復(fù)雜繁瑣的制作方法限制了其廣泛應(yīng)用。變換熱學(xué)方法和散射對(duì)消方法都是通過(guò)調(diào)節(jié)目標(biāo)區(qū)域的鄰近溫度場(chǎng)來(lái)模擬參考溫度場(chǎng)達(dá)到熱隱身目的的。Han 等[56]只使用天然材料來(lái)設(shè)計(jì)雙層熱學(xué)隱身斗篷，是第一次基于散射對(duì)消方法設(shè)計(jì)熱超材料功能來(lái)實(shí)現(xiàn)熱隱身，如圖5 所示?；谧儞Q熱學(xué)方法，He 等[57]提出將一種熱整形器作為熱隱身裝置，同時(shí)它還具有熱放大器、聚光器、隱形斗篷和收縮器等特殊的熱學(xué)功能。Hou 等[58]從理論上設(shè)計(jì)了一種偽裝目標(biāo)位置的熱隱身裝置，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Hu 等[59]利用一般的熱學(xué)隱身方法同時(shí)偽裝超元器件的外部和內(nèi)部溫度場(chǎng)，該方法通過(guò)將坐標(biāo)空間分裂為二維和三維空間來(lái)擴(kuò)展。雖然變換熱學(xué)方法和散射對(duì)消方法可以用于設(shè)計(jì)不同熱功能的熱超材料及其超器件，但它們也存在著某些缺陷，例如，變換熱學(xué)方法是靈活的，可以用于不同的熱功能，但是相應(yīng)的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)使基于變換熱學(xué)方法的器件的制造和實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜。相比前者，散射對(duì)消方法易于實(shí)施，但靈活性仍然有限。Sha 等[60]提出了一種拓?fù)鋬?yōu)化的通用框架，該框架可用于自動(dòng)設(shè)計(jì)幻像器件的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化配置可以偽裝一個(gè)錯(cuò)覺(jué)設(shè)備的熱外觀，使其與參考相同，其原始熱源雖由簡(jiǎn)單的天然材料構(gòu)成，但仍可驅(qū)動(dòng)虛擬熱源。

圖5 從熱隱身到熱偽裝的演變、功能實(shí)現(xiàn)和模擬溫度分布[56]Fig.5 Evolution, function realization and simulation of temperature distribution from thermal stealth to thermal camouflage[56]

3 智能超材料

在外界環(huán)境的一定刺激下，構(gòu)件的形狀、性能和功能能夠發(fā)生可控變化，這種構(gòu)件就被稱為智能構(gòu)件。由于智能構(gòu)件的這種“智能”特性，其往往具備復(fù)雜化、輕量化、精細(xì)化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝難以滿足智能構(gòu)件的制造需求，增材制造技術(shù)則適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的智能構(gòu)件的成形，智能構(gòu)件的增材制造技術(shù)又被稱為4D 打印。4D 打印通過(guò)應(yīng)用智能材料 （如形狀記憶合金，Shape memory alloy，SMA）或智能結(jié)構(gòu) （如在結(jié)構(gòu)中設(shè)置特定信號(hào)）成形智能構(gòu)件，使構(gòu)件能夠在光、電、磁、熱等外界環(huán)境的刺激下隨時(shí)間或空間發(fā)生形狀、性能及功能的可控變化。

3.1 減振超材料

在航空航天領(lǐng)域，飛行器在起飛、空中飛行及著落過(guò)程中存在振動(dòng)問(wèn)題，而減振器是一種有效的工程設(shè)備，用于抑制機(jī)器和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。當(dāng)調(diào)諧減振器的固有頻率等于強(qiáng)迫頻率時(shí)，調(diào)諧減振器通過(guò)允許自身振動(dòng)來(lái)抵消施加在主系統(tǒng)上的力，調(diào)諧減振器的設(shè)計(jì)常用方法是在其中加入可變剛度的元件，從而吸收主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量。

SMA 是一種廣泛應(yīng)用的智能材料，具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和較大的阻尼滯后特性，并且可以通過(guò)幾何形狀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)剛度變化，因此是一種潛在的減振器應(yīng)用材料。Liu 等[61]通過(guò)將SMA 的被動(dòng)控制和壓電材料的主動(dòng)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型智能構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)減振效果的控制，并分析了形狀記憶合金絲的數(shù)量和排列方式對(duì)減振性能的影響。在多模態(tài)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)設(shè)計(jì)SMA 可調(diào)諧減振器，使其與平臺(tái)中心軸線成90°角并偏離平臺(tái)中心軸線，可以實(shí)現(xiàn)6 種諧振模式和平均12.69 dB 的減振效果[62]。除了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)外，SMA 絲材減振器可以有效降低旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的橫向振動(dòng)幅值，通過(guò)溫度來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)控制系統(tǒng)[63]。Alves等[64]結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了SMA 絲材對(duì)柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)行為的影響，在超彈性區(qū)域，SMA 懸架的剛度會(huì)在每個(gè)滯回循環(huán)中發(fā)生變化，因此會(huì)發(fā)生能量耗散，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)子的振動(dòng)控制。

3.2 驅(qū)動(dòng)超材料

SMA 具有兩種熱機(jī)械特性，即形狀記憶效應(yīng)和超彈性，當(dāng)SMA 加熱到相變溫度以上時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，在變形和回復(fù)過(guò)程中，SMA材料會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械力和位移，從而產(chǎn)生可用于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力。因此，SMA 常被用于驅(qū)動(dòng)器中 （圖6[65–67]），與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置相比，SMA 驅(qū)動(dòng)器靜音運(yùn)行，尺寸小，所需驅(qū)動(dòng)電壓小，并且可以獲得非常高的功率密度。

圖6 SMA 驅(qū)動(dòng)器Fig.6 SMA driver

在航空構(gòu)型中，優(yōu)化機(jī)翼形狀可以增強(qiáng)空氣動(dòng)力學(xué)性能，因此研究人員致力于設(shè)計(jì)能夠靈活連續(xù)變形的變形機(jī)翼以適應(yīng)不同的飛行階段。由于SMA 在加熱條件下會(huì)發(fā)生形變并產(chǎn)生力和偏轉(zhuǎn)，因此SMA 驅(qū)動(dòng)器可以應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)翼的變形系統(tǒng)中，尤其是小型無(wú)人駕駛飛行器。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的電阻加熱和周?chē)諝獾睦鋮s調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)形狀改變，進(jìn)而改變機(jī)翼翼型，提高升阻比來(lái)增加續(xù)航時(shí)間或航程[68]?！爸悄堋弊冃螜C(jī)翼的設(shè)計(jì)方法包括有限元分析和優(yōu)化，用于優(yōu)化控制新型SMA 驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，并通過(guò)SMA 驅(qū)動(dòng)獲得目標(biāo)形狀的配置，在使用SMA 驅(qū)動(dòng)器的不同飛行階段獲得預(yù)設(shè)形狀，實(shí)現(xiàn)了柔性可變形航空結(jié)構(gòu)的形狀控制[66]，該設(shè)計(jì)方法需要考慮結(jié)構(gòu)規(guī)格、外部負(fù)載條件、幾何形狀限制等。SMA 驅(qū)動(dòng)器在高循環(huán)負(fù)載條件下運(yùn)行，受到嚴(yán)格的空間限制，而滑輪系統(tǒng)可以增加空間約束的靈活性，將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)械優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)負(fù)載或行程放大，如通過(guò)SMA 滑輪系統(tǒng)線性驅(qū)動(dòng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴嘴的開(kāi)口面積，實(shí)現(xiàn)負(fù)載和沖程的放大效果[69]。SMA 驅(qū)動(dòng)器還被用于柔性機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，柔性模式和關(guān)節(jié)變量分別被建模為快變量和慢變量，慢速子系統(tǒng)由關(guān)節(jié)電機(jī)扭矩控制，快速子系統(tǒng)則由SMA 驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)控制，可以保證控制器的均勻指數(shù)穩(wěn)定性[70]。

除了單一材料驅(qū)動(dòng)器外，還有學(xué)者將SMA 線材嵌入聚合物基質(zhì)中制造了SMA–SMP 復(fù)合驅(qū)動(dòng)器，將SMA線嵌入鉸鏈結(jié)構(gòu)中，提供彎曲驅(qū)動(dòng)力，電阻絲嵌入SMP 層，通過(guò)焦耳加熱改變驅(qū)動(dòng)器鉸鏈的溫度和彎曲剛度，SMA 線材和SMP 材料的相變溫度按照設(shè)計(jì)而變化，從而實(shí)現(xiàn)較大的彎曲變形、形狀保持和形狀回復(fù)[65]。在微觀尺度上，一種基于納米級(jí)厚度鉑膜的新型形狀記憶驅(qū)動(dòng)器可以在電壓誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)彎曲變形，該驅(qū)動(dòng)器可以用于構(gòu)建電響應(yīng)微型機(jī)器人元件，如折紙三維結(jié)構(gòu)、變形超材料和機(jī)械記憶元件等[67]。

4 結(jié)論

增材制造超材料是目前的研究熱點(diǎn)之一，但目前的研究大多以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，以單一性能為導(dǎo)向，以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為先，缺乏一體化、多性能化和主動(dòng)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)。

（1）力學(xué)超材料構(gòu)件以奇異力學(xué)特性進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)與增材制造，但未考慮增材制造的工藝約束對(duì)力學(xué)構(gòu)件性能的影響，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化制造。

（2）功能超材料構(gòu)件，將增材制造工藝拓展到聲學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，但鮮有報(bào)道利用增材制造工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)多性能構(gòu)件的制造，且大多原理性驗(yàn)證試驗(yàn)僅存在于實(shí)驗(yàn)室階段，缺乏工程實(shí)際意義。

（3）智能超材料研究以光、電、熱等外界刺激為主，缺乏主動(dòng)智能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

今后的研究工作中應(yīng)結(jié)合增材制造工藝特征進(jìn)行功能超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先，針對(duì)增材制造的工藝特點(diǎn)，建立工藝對(duì)宏、微觀性能影響的數(shù)學(xué)模型，并在增材制造材料組織、成形約束等條件下形成數(shù)值模擬的優(yōu)化求解方法。然后，針對(duì)航空航天領(lǐng)域具體的應(yīng)用功能構(gòu)件，設(shè)計(jì)承載/聲隱身、承載/散熱等多功能結(jié)構(gòu)件，研究增材制造多材料、跨尺度多性能功能構(gòu)件的數(shù)學(xué)表征模型，完成熱/固、聲/固和磁/固等多物理場(chǎng)耦合的“結(jié)構(gòu)分布–功能驅(qū)動(dòng)式”設(shè)計(jì)。最后，以結(jié)構(gòu)的形狀可變、性能可控為研究目標(biāo)，研究材料和結(jié)構(gòu)自驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，包括智能材料/非智能材料本構(gòu)模型、多材料智能超材料構(gòu)件的變形調(diào)控機(jī)理和跨尺度構(gòu)件的自驅(qū)動(dòng)規(guī)律。