張 磊, 卓林蓉, 湯桂平, 宋 波, 史玉升

超材料（metamaterial）是一類新型的人工合成的、具有特定物理性質(zhì)的材料，通常是由周期性或非周期性的人工微結(jié)構(gòu)排列而成，具有天然材料所不具備的奇特物理性質(zhì)[1-7]。隱身超材料主要分為兩類：一類是電磁波隱身超材料，另一類是聲波隱身超材料。電磁波隱身超材料通過吸收電磁波并將其轉(zhuǎn)化成其他形式的能量耗散掉，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對電磁波的吸波隱身；通過控制電磁波繞過目標(biāo)物體而不產(chǎn)生散射，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對電磁波的透波隱身。聲波隱身超材料通過材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引導(dǎo)聲波/彈性波按照預(yù)設(shè)方式傳播，是聲波/彈性波等領(lǐng)域設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)已知材料性質(zhì)分布求波傳播軌跡不同，電磁/聲學(xué)隱身功能調(diào)控是已知波傳播的軌跡而反求所需要的材料和結(jié)構(gòu)形式。隱身超材料通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)隱身功能，在航空航天等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值：一方面通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到隱身效果，從而實(shí)現(xiàn)反偵察的功能；另一方面，微結(jié)構(gòu)屬于多孔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)飛行器的輕量化設(shè)計(jì)。

1 電磁超材料及其隱身功能調(diào)控

電磁超材料可以通過調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)尺寸改變其電磁參數(shù)，近年來在隱身技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注。利用超材料進(jìn)行電磁隱身主要可以分為超材料吸波隱身和超材料透波隱身。

1.1 超材料吸波隱身

超材料吸波隱身要求阻抗匹配，衰減匹配，阻抗匹配要求電磁波能夠盡量多的傳導(dǎo)入介質(zhì)內(nèi)，而不被表面反射，衰減匹配指進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部的電磁波能量被迅速地轉(zhuǎn)換為其他能量（如熱能等）而耗散掉。2008年，Landy等[8]首次提出“完美吸波體”的概念?！巴昝牢w”通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，調(diào)控單元電諧振和磁諧振，實(shí)現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配，降低入射電磁波的反射率，并利用結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗實(shí)現(xiàn)對電磁波的強(qiáng)烈吸收。Landy提出的吸波體由上層金屬諧振層、底層金屬短線層以及中間介質(zhì)層組成，如圖1所示。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在11.65 GHz附近擁有一個近乎完美的吸收峰。這種超材料吸波體具有吸收率高、單元尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，但是吸收頻帶窄、對電磁波的極化方向十分敏感；這些限制了超材料吸波體的發(fā)展及應(yīng)用，因此，后續(xù)有很多學(xué)者在推動超材料往寬頻、多頻、極化不敏感方向發(fā)展做了許多努力。寬頻研究方面，主要是在一個平面內(nèi)布置多個幾何形狀相同但尺寸不同的諧振單元，通過調(diào)整單元的尺寸從而調(diào)整諧振的頻率，使多個相近的吸收峰靠近疊加從而使吸收頻帶拓寬。Tang等[9]通過將三個尺寸不同的多分裂同心圓環(huán)組合起來，在585 nm到800 nm的波段內(nèi)，模擬得到的吸波率達(dá)到97.2%，如圖2所示。頻帶拓寬的另一種方法是通過多層堆積。Wang等[10]通過多層相同尺寸的金屬方板設(shè)計(jì)了在中心頻率1.96 THz附近300 GHz范圍內(nèi)，吸收率達(dá)99%的太赫茲頻段超材料吸波體。多頻和寬頻的方法類似，也是將不同尺寸的諧振單元組合起來，或者將對應(yīng)不同頻率的諧振單元組合起來，這需要增材制造技術(shù)制備多尺度、跨尺度構(gòu)件的能力。Ghosh等[11]通過將對應(yīng)不同吸波頻率的兩個諧振單元進(jìn)行組合，獲得了在4.11 GHz，7.9 GHz，10.13 GHz，11.51 GHz四頻段吸波率均接近99%的超材料吸波體，且該結(jié)構(gòu)具有極化不敏感性和寬角度吸波性。極化不敏感主要通過采用中心對稱結(jié)構(gòu)來消除。Landy等[12]設(shè)計(jì)了一種中心對稱型金屬諧振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在1.145 THz頻率時，吸波率達(dá)到65%。

超材料吸波隱身的另一個體現(xiàn)是關(guān)于電磁黑洞，即通過效仿物質(zhì)在“黑洞”引力場的影響下在空間中的彎曲運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)電磁波能量的全向?qū)掝l吸收[13]。2010年，東南大學(xué)崔鐵軍等[14]通過類比光學(xué)黑洞的理論，采用具有漸變折射率的非諧振型超材料外殼和具有大損耗介質(zhì)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，首次制造了微波頻段的全方位電磁黑洞，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各方向入射的電磁波螺旋式地向內(nèi)彎折，最終被內(nèi)核的損耗介質(zhì)吸收，在微波頻段的吸波率達(dá)到了99%，如圖3所示。2015年，西安交通大學(xué)田小永等[15]首次制造了由全介質(zhì)超材料組成的三維電磁黑洞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由液體介質(zhì)作為內(nèi)核，漸變折射率外殼由木堆結(jié)構(gòu)三維光子晶體構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果均證明該結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收寬帶（12～15 Hz）、全方位的電磁波，如圖4所示。

1.2 超材料透波隱身

超材料透波隱身是基于完美隱身的概念，其不同于吸波隱身，而是使電磁波繞射物體從而實(shí)現(xiàn)隱身。2006年，Pendry[16]與Leonhadrt[17]均提出了基于超材料的隱身罩，通過變換光學(xué)的方法設(shè)計(jì)隱身罩材料的電磁參數(shù)分布，以此來控制電磁波的傳播路徑，使電磁波繞過物體，在物體后方還是保持原入射方向，看起來好像物體對于電磁波的傳播不產(chǎn)生干擾，從而實(shí)現(xiàn)完美隱身。同年，Schurig等[18]用金屬諧振型超材料制備了微波頻段的隱身罩，完成了完美隱身的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們將一個銅柱放置在隱身罩中，實(shí)驗(yàn)證明該隱身罩能夠在引導(dǎo)電磁波繞射的同時有效地減少銅柱的散射場，如圖5所示。然而，金屬諧振超材料完美隱身罩的固有帶寬和損耗缺陷使得此類隱身罩工作頻率窄，難以滿足實(shí)際使用需求。

隨后，又有學(xué)者提出了地毯式隱身，其原理是將目標(biāo)隱身區(qū)域偽裝成平面，從而實(shí)現(xiàn)隱身[19]。地毯式隱身材料各向同性且材料參數(shù)無極值，可以使用漸變折射率超材料來實(shí)現(xiàn)，因此吸波的頻率可以拓寬[10]。田小永等[20]采用以金剛石光子晶體為單元結(jié)構(gòu)的全介質(zhì)漸變折射率超材料，利用光固化成型的方法制造了寬頻低損失的隱身地毯，如圖6所示。東南大學(xué)的崔鐵軍等[21]制造了一種全三維、寬頻帶、低損失的微波段隱身地毯。Liu等[22]設(shè)計(jì)了一種隱身地毯，采用了漸變折射率非諧振式超材料，同樣實(shí)現(xiàn)了13 GHz到16 GHz的寬頻帶、低損耗隱身。

2 聲學(xué)超材料及其隱身功能調(diào)控

超材料的聲隱身技術(shù)稱為聲隱身斗篷技術(shù)，它是利用特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)介質(zhì)保護(hù)殼體，人為地控制聲波繞開被殼體覆蓋區(qū)域來實(shí)現(xiàn)隱身的新型聲隱身技術(shù)。這種性能使聲波繞過目標(biāo)后無畸變地傳播，從而達(dá)到隱身效果。

五模材料（pentamode material，PM）作為一種新型的聲學(xué)隱身材料，只有一個特征值不為零，是一種退化的彈性介質(zhì)，最早由Milton和Cherkaev于1995年提出，如圖7（a）所示[23]。由于其6個特征值中有5個為零，因此它只能承受某一方向的載荷，在其他方向上均不受任何力的作用，因而具有“水”的特性，也被稱為“金屬水”或者“金屬流體”，如圖7（b）所示[24-27]。該材料可以解除變形時正向與剪切方向的形變耦合和解除體積模量與密度之間的耦合，這一特性的存在，讓它在聲學(xué)設(shè)備上有潛在的研究價(jià)值。由于五模材料的模量可以通過微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，在物性參數(shù)上具有很大的可控范圍，也意味著具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)性，為特殊的聲學(xué)設(shè)備提供基礎(chǔ)。目前，五模材料可用于實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身斗篷、醫(yī)用透鏡和減震等[28-31]。

2008年，Norris[28]基于變換聲學(xué)理論從數(shù)學(xué)上分析了利用五模結(jié)構(gòu)制備聲學(xué)隱身材料的可行性，并自此引發(fā)了全世界范圍內(nèi)對五模材料的關(guān)注，和其用于聲學(xué)設(shè)備基礎(chǔ)理論和實(shí)踐的研究。首次制作出五模材料的是Kadic等，他們于2012年以高分子聚合物為原料利用激光直接刻寫工藝制造出五模材料，如圖8所示，該材料的原型是Milton提出來的金剛石的結(jié)構(gòu)模型，研究了其體積模量、剪切模量和聲學(xué)性能，并在2013年制備出聲學(xué)隱身衣[32-37]。

Méjica根據(jù)布拉格點(diǎn)陣提出來14種不同的五模材料微結(jié)構(gòu)，他的研究旨在獲得足夠大的體積模量B與剪切模量G之比[38]。Schittny根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)論提出，當(dāng)B/G = 1000時材料的彈性性能接近五模材料球形隱身衣，指出通過優(yōu)化分層隱身衣的密度和彈性模量，可以改善隱身衣在頻率點(diǎn)、甚至頻率帶上的隱身性能[25,39-40]。張向東等[41]研究了五模材料圓柱形隱身衣結(jié)構(gòu)層數(shù)和厚度對隱身衣性能的影響，指出隨著層數(shù)的增加隱身效果更好，且層厚也對隱身衣性能有較大的影響。Layman等[42]設(shè)計(jì)了斜蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的第一維度解釋幾何參數(shù)的變化對五模材料性能的影響，對此后五模材料的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。Zhao等[43-44]設(shè)計(jì)了一種二維平面的聲學(xué)隱身五模結(jié)構(gòu)模型，并用聲學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了comsol聲學(xué)模擬結(jié)果，而此前沒有這方面的實(shí)驗(yàn)論證，他們還對平面模型的幾何參數(shù)變化對聲學(xué)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律做了研究，如圖9所示。Zadpoor等[45]利用激光選區(qū)熔化技術(shù)制造出三維聲隱身五模材料金剛石模型結(jié)構(gòu)，研究了力學(xué)性能的影響因素，發(fā)現(xiàn)最小直徑尺寸是整體結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵，為聲隱身五模超材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 隱身超材料的制備工藝

用于電磁隱身的超材料根據(jù)材料的構(gòu)成可分為諧振型與非諧振型超材料（包括金屬非諧振型與全介質(zhì)超材料）[13,46]。金屬諧振型與金屬非諧振型超材料都是由金屬與介質(zhì)構(gòu)成，只是二者工作的頻率不同。用于聲學(xué)隱身的超材料主要分為慣性聲隱身[47]和五模聲隱身[28]兩種。慣性聲隱身超材料具有各向異性的體密度與各向同性的彈性模量，由于極點(diǎn)的存在難以實(shí)現(xiàn)三維慣性聲隱身，五模聲隱身超材料具有各向同性的體密度和各向異性的彈性模量，無論是理論上還是實(shí)際應(yīng)用上都能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻、全角度、輕質(zhì)的要求，因而五模聲隱身超材料具有更為廣泛的應(yīng)用前景[48]。

現(xiàn)有制造隱身超材料的傳統(tǒng)工藝方法有印刷電路板法、刻蝕法、機(jī)械加工法。印刷電路板法可用于制備金屬諧振型與金屬非諧振型隱身超材料，如東南大學(xué)的崔鐵軍課題組制造的電磁黑洞中的非諧振型超材料外殼與諧振型超材料內(nèi)核都是采用電路板雕刻機(jī)制造而成[14]，但印刷電路板的方法中刻蝕銅液對環(huán)境會造成污染，且大多只能制造二維平面超材料，限制了超材料在三維空間中的應(yīng)用[21]。刻蝕法包括光刻蝕，電子束刻蝕等，光刻蝕工藝是將光敏高分子制成一定圖形的抗蝕性膜，再用化學(xué)或電化學(xué)方法進(jìn)行腐蝕或電鍍的加工工藝。如Landy等制造的具有極化不敏感特性的中心對稱超材料吸波體，就是采用了標(biāo)準(zhǔn)負(fù)片光刻技術(shù)制造而成[12]。電子束刻蝕指的是在計(jì)算機(jī)控制下，按照加工要求的圖形，利用聚焦后的電子束對基片上的抗蝕劑進(jìn)行曝光，在抗蝕劑中產(chǎn)生具有不同溶解性能的區(qū)域，根據(jù)不同區(qū)域的溶解特性，利用具有選擇性的顯影劑進(jìn)行顯影，溶解性強(qiáng)的抗蝕劑部分被去除，溶解性差或不溶的部分保留下來，從而得到所需要的抗蝕劑圖形，如Wang等制造的寬頻吸波超材料則是采用電子束刻蝕加工而成[10]；但是刻蝕技術(shù)的成本較高，且不適合大尺寸超材料的制造，限制了超材料的廣泛應(yīng)用。機(jī)械加工法是利用線切割、微細(xì)銑削等技術(shù)改變構(gòu)件尺寸或性能的工藝，如浙江大學(xué)的Ding等利用傳統(tǒng)的機(jī)械銑削的方法制造了以多層四棱臺型金字塔為單元結(jié)構(gòu)的微波段寬頻吸波器，如圖10所示[49]；武漢第二船舶研究所采用微細(xì)銑削工藝成功制造了以蜂窩狀六邊形為單胞的環(huán)形鋁基五模隱身超材料[50]；但是機(jī)械加工法的加工能力往往難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求，且制備周期較長，有時需要特制的模具或刀具?？偟膩碚f，由于周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超材料模型往往微小并且復(fù)雜，對制造工藝的要求很高，給研發(fā)和制造帶來了一定的困難，探索一種新的制造隱身超材料的方法勢在必行。

20世紀(jì)90年代興起的增材制造技術(shù)在制備高精度、高復(fù)雜度結(jié)構(gòu)方面具有極大的優(yōu)勢。增材制造技術(shù)可加工的材料種類范圍廣，其尺寸精度受設(shè)備的影響，高端的增材制造設(shè)備加工精度甚至可以達(dá)到1微米，打印精度能夠滿足超材料制備要求。常見的用于制造隱身超材料的增材制造方法有光固化法、熔融沉積法、激光選區(qū)燒結(jié)/熔化法等。

光固化成型是指用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的制造后，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面，這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實(shí)體。西安交通大學(xué)的田小永課題組用光固化光敏樹脂的方法制備了電磁黑洞的外殼[15]，該外殼以木堆結(jié)構(gòu)光子晶體作為基本的單元，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且單元結(jié)構(gòu)在mm量級。美國西北工業(yè)大學(xué)的Zhou等[51]利用面投影微立體光固化的方法首次制造了太赫茲頻段的三維隱身罩，該結(jié)構(gòu)的有效工作頻率在0.3～0.6 THz，單元結(jié)構(gòu)為亞波長的矩形孔。面投影微立體光固化法與傳統(tǒng)光固化方法最大的不同點(diǎn)在于其一次固化就能成型一個平面，而傳統(tǒng)的光固化方法則是采用通過逐點(diǎn)掃描，由點(diǎn)到線，由線到面逐步成型，成型速度相對較慢，且激光斑點(diǎn)的大小直接影響到制件精度。另外，Urzhumov等[52]采用了熔融沉積ABS材料的方法制造了一種超薄、低損耗的、工作于微波頻段的全介質(zhì)地毯隱身罩。德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Kadic等[32]2012年利用激光直寫技術(shù)加工高分子聚合物，首次制造出單元結(jié)構(gòu)尺寸為微米級別的三維五模材料微結(jié)構(gòu)。Zadpoor等[45]利用激光選區(qū)熔化技術(shù)制造出三維聲隱身五模材料金剛石模型結(jié)構(gòu)。中南大學(xué)的黃小忠團(tuán)隊(duì)[53]利用激光選區(qū)燒結(jié)羰基鐵粉和尼龍粉末的混合物，制造了一種周期結(jié)構(gòu)型寬頻雷達(dá)吸波超材料，如圖11所示，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)均表明該結(jié)構(gòu)在8～18 GHz頻段的反射率小于–10 dB。利用3D打印制備電磁隱身超材料可以增加制造柔性，使得制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)變得更加容易，實(shí)現(xiàn)材料與功能結(jié)構(gòu)的一體化制造。

4 增材制造隱身超材料的制備問題

增材制造技術(shù)制造超材料目前尚未完全成熟，處于研究開發(fā)試制階段，在成形隱身超材料過程中主要涉及階梯效應(yīng)、原材料黏附現(xiàn)象、熱擴(kuò)散現(xiàn)象、尺寸精度、粗糙度等問題。

（1）階梯效應(yīng)

超材料是由周期性或非周期性的微結(jié)構(gòu)單胞排列構(gòu)成，是一種具有特定物理性質(zhì)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，因此具備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)減震、減重、降噪等優(yōu)點(diǎn)，但同時也具有增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)過程中所出現(xiàn)的階梯效應(yīng)[54]。階梯效應(yīng)是由于增材制造層層疊加的工藝過程導(dǎo)致的，對于傾斜桿或彎曲表面，層與層之間存在顯著的錯位搭接現(xiàn)象，類似于臺階的階梯，如圖12所示[55]。該現(xiàn)象在制備復(fù)雜形狀構(gòu)件時極為常見，在一定程度上影響制件的側(cè)表面質(zhì)量，可以通過降低層厚的方法弱化它的影響，但這同時也會增加制造的時長。

（2）原材料黏附現(xiàn)象

增材制造工藝在層層疊加過程中，由于加工的能量源為熱源，會將原材料黏附在已加工的上一層附近，比如上述圖12（b）階梯效應(yīng)的未搭接處黏附了諸多原材料粉末。對于原材料為粉末的制造工藝，黏附現(xiàn)象尤為明顯。原材料黏附會降低制件的力學(xué)性能，惡化制件的表面質(zhì)量，目前可以通過化學(xué)后處理的方法除去黏附的原材料，并進(jìn)一步提高表面質(zhì)量[56]。

（3）熱擴(kuò)散現(xiàn)象

增材制造的加工能量源為熱源，且由于增材制造的特殊成形方式，在層內(nèi)不同區(qū)域、已加工材料與未加工材料之間，以及不同時間加工的層之間都存在溫差，隨即產(chǎn)生熱擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖13所示[57-59]。對于金屬超材料，不均勻的熱擴(kuò)散會導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大使制件部分開裂甚至坍塌，控制微小尺寸超材料單胞的殘余應(yīng)力，能極大地保證成形過程[60-61]。

（4）尺寸精度和粗糙度

隱身超材料構(gòu)件部分是用于航空航天或其他精密零部件，因此表面質(zhì)量和精度是其重要的評價(jià)指標(biāo)。很多零件都有表面粗糙度的要求，以避免在使用中過早失效，現(xiàn)有的增材制造成形隱身超材料表面均需要后處理才能達(dá)到應(yīng)用的表面要求，而這些后處理步驟使得快速成形的優(yōu)勢有所降低并且會增加成本。且超材料特殊性能的實(shí)現(xiàn)依賴于微結(jié)構(gòu)單元的尺寸、排列方式、取向等等，這些關(guān)鍵因素都與結(jié)構(gòu)的尺寸精度和粗糙度緊密相關(guān)。

5 結(jié)束語

超材料由于其特殊的物理性質(zhì)和材料結(jié)構(gòu)，在航空航天、軍工、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于加工過程為離散型分層疊加成形，增材制造技術(shù)在成形制備復(fù)雜構(gòu)件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但是由于不均勻的溫度梯度和階梯效應(yīng)的存在，使得在制備的超材料中出現(xiàn)原材料黏附、表面精度差等現(xiàn)象，限制了其產(chǎn)品的尺寸精度和使用功能。隱身功能-結(jié)構(gòu)-制備工藝的聯(lián)系，鮮有學(xué)者研究清楚，若從根本上建立三者之間的物理模型，闡明工藝策略、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與隱身功能調(diào)控機(jī)理，對增材制造成形隱身超材料研究具有重大意義。

根據(jù)以上闡述，我們提出增材制造隱身超材料的研究分為三個趨勢：（1）高精度：研發(fā)適用于三維超材料的增材制造工藝，改善增材制造超材料的表面精度、階梯效應(yīng)，減少后處理工序，拓寬其應(yīng)用范圍；（2）模型化：探索隱身功能-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-制備工藝三者之間的關(guān)系，建立三者之間的物理模型，對實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)功能調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝三者之間的平衡，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多功能三維隱身結(jié)構(gòu)的一體化制造；（3）智能化：未來隱身超材料的發(fā)展將向著自適應(yīng)智能化的方向發(fā)展，在外界環(huán)境的刺激下，外形可控變形，隱身頻段、吸波強(qiáng)度可調(diào)節(jié)，結(jié)合增材制造中的4D打印工藝，隱身超材料有望成為智能隱身構(gòu)件的關(guān)鍵材料。

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