蒲永偉，張 卷，劉若鵬,3，趙治亞,3，季春霖

（1.光啟技術(shù)股份有限公司，深圳 518000；2.光啟尖端技術(shù)有限責(zé)任公司，深圳 518000；3.深圳光啟高等理工研究院，深圳 518000）

隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的發(fā)展及武器裝備的不斷更新?lián)Q代，復(fù)合材料的使用條件日趨苛刻，新的甚至一些極端的功能要求相繼出現(xiàn)[1]，如耐高溫多頻譜隱身復(fù)合材料、寬頻帶透波雷達(dá)天線罩復(fù)合材料等，使功能復(fù)合材料的研究和開發(fā)倍受重視[2]，并逐漸成為了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)尖端層次發(fā)展的核心。然而，我國(guó)作為將來(lái)世界上最大的功能復(fù)合材料需求用戶，卻面臨著嚴(yán)重的國(guó)外技術(shù)封鎖和國(guó)內(nèi)技術(shù)短缺的難題[3]。

傳統(tǒng)的功能復(fù)合材料，指的是用基體相與第二相功能相復(fù)合或基體相、增強(qiáng)相與第三相功能相復(fù)合而成的一類復(fù)合材料，比如在碳化硅增強(qiáng)復(fù)合材料中加入鐵氧體磁性吸波劑制備的隱身復(fù)合材料以及結(jié)構(gòu)吸波蜂窩夾芯板隱身復(fù)合材料等[4]。這類傳統(tǒng)的功能復(fù)合材料，存在兩大主要缺陷：一是功能相與基體相各自的理化特性差異，形成非有機(jī)結(jié)合形式，因此往往會(huì)出現(xiàn)界面失效、功能界面易損壞等問題[5]；另一方面是部分功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性與其功能性質(zhì)互相矛盾，對(duì)于吸能功能復(fù)合材料，輕質(zhì)高強(qiáng)是其最顯著的結(jié)構(gòu)屬性，但它不能像金屬材料那樣通過大變形吸收撞擊能量，因此結(jié)構(gòu)性與功能性無(wú)法兼得。這兩大主要缺陷是限制功能復(fù)合材料發(fā)展的最大原因。在上面所舉的例子中，結(jié)構(gòu)吸波蜂窩夾芯板隱身復(fù)合材料是將功能相——吸波劑分散在芳綸紙蜂窩中，并將蜂窩與外表面的復(fù)合材料蒙皮通過一定的成型工藝復(fù)合制成的。功能相吸波劑通常是鐵氧體或金屬微粉等磁性金屬吸波材料，而芳綸紙蜂窩和復(fù)合材料蒙皮是由兩種基體相——無(wú)機(jī)纖維和有機(jī)樹脂組成的，當(dāng)金屬微粉與無(wú)機(jī)、有機(jī)體結(jié)合時(shí)，因3種組成相各自化學(xué)鍵類型的巨大差異，極易出現(xiàn)功能界面的損壞。圖1為典型的傳統(tǒng)功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖，由作為功能層的夾芯層和作為結(jié)構(gòu)層的面板層組成。

圖1 傳統(tǒng)功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of traditional functional composite metamaterials

未來(lái)功能復(fù)合材料與傳統(tǒng)功能復(fù)合材料的區(qū)別

未來(lái)功能復(fù)合超材料，便是這樣一種應(yīng)運(yùn)而生，能夠有效解決功能復(fù)合材料現(xiàn)有問題的新型材料。它指的是從物理微觀尺度出發(fā)[6]，運(yùn)用一體化的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、功能多維度聯(lián)合設(shè)計(jì)，并采用新型微納加工技術(shù)等工藝設(shè)計(jì)和工藝處理，從而獲得具有集結(jié)構(gòu)-功能特性于一體的超級(jí)復(fù)合材料。其結(jié)構(gòu)尺寸在微觀尺度上類似常規(guī)材料中的原子結(jié)構(gòu)，在宏觀尺度上屬于可工業(yè)化加工的尺寸，但具有微觀體系的特性，使得最終產(chǎn)品在宏觀上表現(xiàn)出特定的功能特性。

眾所周知，自然界天然材料是由原子電子的規(guī)律排布組成，具有固定的性能，不可人為改變，如圖2（a）所示。而未來(lái)功能復(fù)合超材料，則是可以人工調(diào)控的由材料構(gòu)成的“材料”，介于宏觀與微觀之間的介觀微結(jié)構(gòu)是該材料的基本組成單元，具有超越自然界材料功能響應(yīng)極限的特性[7]，如圖2（b）所示。

未來(lái)功能復(fù)合超材料與傳統(tǒng)功能復(fù)合材料最大的區(qū)別在于：在原有功能復(fù)合材料二元相次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入第三維度，并將三個(gè)維度融合成為一相結(jié)構(gòu)，結(jié)合結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的有機(jī)結(jié)合。

其設(shè)計(jì)特點(diǎn)反映在3個(gè)方面。（1）可定制化設(shè)計(jì)的非均勻排布：通過對(duì)具有不同要求的微觀單元獨(dú)立設(shè)計(jì)，改變材料組分配比、濃度梯度等，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)與功能的非均勻排布[8]。（2）可定制化設(shè)計(jì)的各向異性：在基體相與功能相性能差異的基礎(chǔ)上，在不同方向上獨(dú)立設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與功能需求，并運(yùn)用非線性耦合計(jì)算實(shí)現(xiàn)材料的各向異性。（3）可定制化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)-功能共面結(jié)構(gòu)：通過改變材料的幾何結(jié)構(gòu)、材料特性、功能特性單元等來(lái)改變材料的力學(xué)、光學(xué)和電磁等性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與多種功能要求共面化。未來(lái)功能復(fù)合超材料不僅是一種新的材料形態(tài)，更是一種材料設(shè)計(jì)的理念。未來(lái)功能復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)，即根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)與功能需求，在微觀尺度上將材料劃分成若干個(gè)單元，進(jìn)而對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行人工原子與人工分子設(shè)計(jì)，構(gòu)造出能夠滿足特定要求的結(jié)構(gòu)-功能單元，最終制備出宏觀尺度上的功能復(fù)合超材料，此類功能復(fù)合超材料具多頻帶吸波特性[9]。

圖2 天然材料與未來(lái)功能復(fù)合超材料微觀尺度區(qū)別Fig.2 Micro scale difference of natural materials and future functional composite metamaterials

圖3 未來(lái)功能復(fù)合超材料實(shí)現(xiàn)路徑Fig.3 Realization path of future functional composite metamaterials

未來(lái)功能復(fù)合超材料，可以將不同的功能響應(yīng)單元，如聲諧振、磁諧振與電諧振單元與結(jié)構(gòu)單元統(tǒng)一設(shè)計(jì)于同一平面上，相對(duì)于傳統(tǒng)的功能復(fù)合材料對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)稱性較高的要求，未來(lái)功能復(fù)合超材料的對(duì)稱性要求較低[10]，即使內(nèi)部存在不對(duì)稱性，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料性能的下降，而是實(shí)現(xiàn)多種功能與結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)一致。另外，未來(lái)功能復(fù)合超材料在經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真分析及精確設(shè)計(jì)后，可以通過高精度的自動(dòng)化設(shè)備完成工藝制備，完全摒棄了現(xiàn)有不可控因素較多的粗獷型傳統(tǒng)功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造方法。圖3為未來(lái)功能復(fù)合超材料的實(shí)現(xiàn)途徑，利用高性能計(jì)算機(jī)集群，通過將功能特性參數(shù)與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)統(tǒng)一在特定需求的材料中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和分析并形成工藝方案，之后對(duì)工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，當(dāng)驗(yàn)證修正后的工藝能達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，最終通過自動(dòng)化設(shè)備完成未來(lái)功能復(fù)合超材料的加工制造。

未來(lái)功能復(fù)合材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)杜克大學(xué)Smith團(tuán)隊(duì)[11]、新加坡南洋理工大學(xué)Singh團(tuán)隊(duì)等對(duì)材料幾何結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)單元中非均勻體系的理論機(jī)制作了探索。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校張翔團(tuán)隊(duì)、英國(guó)倫敦大學(xué)帝國(guó)理工學(xué)院Maier團(tuán)隊(duì)等對(duì)比了人工原子與人工分子設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的差異[12]。深圳光啟高等理工研究院在國(guó)際上首先開辟了未來(lái)功能復(fù)合超材料工業(yè)化的先河，在結(jié)構(gòu)功能一體化隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能通信系統(tǒng)、超傳感等領(lǐng)域均有一系列產(chǎn)業(yè)化成果[7]。

在未來(lái)功能復(fù)合超材料研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外部分高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了理論探索和試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)的研究開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)末，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Pendry教授已經(jīng)對(duì)金屬線陣列與金屬開口諧振環(huán)陣列進(jìn)行了相關(guān)的研究，在入射電場(chǎng)與磁場(chǎng)作用下，這兩種結(jié)構(gòu)分別能夠產(chǎn)生負(fù)值的介電常數(shù)與負(fù)值的磁導(dǎo)率[12]。到2001年，Shelby與Smith等在平行的鋁波導(dǎo)中對(duì)左手材料的折射波功率進(jìn)行了測(cè)量，證實(shí)了負(fù)折射的傳輸特性，這就是著名的“棱鏡折射試驗(yàn)”，在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起了極大的轟動(dòng)。Pendry教授基于變換光學(xué)理論設(shè)計(jì)出微波段的隱身斗篷[12]。圖4為部分共形天線、平板天線、衛(wèi)通天線罩的功能超材料產(chǎn)品圖。

未來(lái)功能復(fù)合超材料的發(fā)展趨勢(shì)：（1）設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)一體化技術(shù)。由于大量未來(lái)功能復(fù)合超材料需要服役于特殊甚至極端的外場(chǎng)環(huán)境，直接在外場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)不僅無(wú)法獲得損傷演變過程的信息和控制因素[13]，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大且試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，因此需要從設(shè)計(jì)初期即對(duì)材料微觀層次損傷演化和破壞的規(guī)律進(jìn)行探索，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)一體化。（2）未來(lái)功能復(fù)合超材料基因組計(jì)劃。通過材料的微結(jié)構(gòu)單元組成預(yù)測(cè)材料的性能，并將材料設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造統(tǒng)一為一個(gè)整體。以材料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，避免大量重復(fù)或無(wú)效試驗(yàn)[14]，以數(shù)字化模擬技術(shù)為工具，代替以往的試錯(cuò)技術(shù)[15]，將大大降低研制風(fēng)險(xiǎn)，提高研制效率和研制質(zhì)量。（3）結(jié)構(gòu)多功能一體化聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)[16]。通過多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，利用微結(jié)構(gòu)單元間的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合超材料的一體化和智能響應(yīng)，可將材料的聲、光、電、熱磁等功能與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、外形集合于同種材料和產(chǎn)品上。（4）全生命周期低成本技術(shù)。居高不下的成本一直是限制功能復(fù)合材料大量使用的重要原因。形成可靠而普適的計(jì)算設(shè)計(jì)體系，對(duì)相似功能建立模塊化設(shè)計(jì)方案，可降低單獨(dú)設(shè)計(jì)計(jì)算成本。此外利用高效率高精度的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)制造，大力提升工藝成形技術(shù)成熟度，以及依靠未來(lái)功能復(fù)合超材料較高的穩(wěn)定性、可靠性，將成為未來(lái)功能復(fù)合超材料全生命周期低成本技術(shù)的有力推動(dòng)因素。

圖4 功能超材料產(chǎn)品Fig.4 Products of functional composite metamaterials

結(jié)論

綜上所述，本文首先描述了傳統(tǒng)功能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及其非有機(jī)結(jié)合結(jié)構(gòu)容易帶來(lái)的問題，接著闡述了未來(lái)功能復(fù)合超材料的定義，對(duì)比了未來(lái)功能復(fù)合超材料與傳統(tǒng)功能復(fù)合超材料的區(qū)別，從理論和結(jié)構(gòu)上解釋了其具備的特點(diǎn)，并對(duì)其設(shè)計(jì)制造方式作了總結(jié)，此外，還對(duì)國(guó)內(nèi)外研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用情況作了總結(jié)評(píng)述。在此基礎(chǔ)上，本文給出了未來(lái)功能復(fù)合超材料可能的發(fā)展方向，以期為此領(lǐng)域的工作者提供一點(diǎn)指引。

參 考 文 獻(xiàn)

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