西安交大借超聲實(shí)現超材料光固化打印

　　就在2017新年伊始，哈佛John A.保爾森工程和應用科學(xué)學(xué)院和哈佛Wyss威斯生物啟發(fā)工程研究所的研究人員在哈佛大學(xué)通過(guò)多材料3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)出可重構超材料的基礎設計框架軟件。

　　國內在超材料方面也涌現出積極的研究，據了解，活躍的科研單位有東南大學(xué)，中國人民解放軍空軍工程大學(xué)，西安交通大學(xué)，北京交通大學(xué)等。本期，小編與大家一起來(lái)了解西安交大如何將液態(tài)光敏樹(shù)脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結構，最終形成固態(tài)光敏樹(shù)脂為基材并包裹具有二維空間拓撲排序人造微結構的超材料。

　　超聲波與超材料

　　超材料由于具有天然材料不具備的超常物理性質(zhì)，從而擺脫了傳統材料諸多表觀(guān)自然規律的限制，極大拓展了電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科的研究范疇，在航天、航空、電子、通信、生物醫學(xué)領(lǐng)域里展現了巨大的潛在價(jià)值和應用前景。超材料本質(zhì)上為人工復合結構或復合材料，其通過(guò)在亞波長(cháng)的材料特征尺度上進(jìn)行有序結構設計，實(shí)現賦予的特定功能。超材料一般由有序排列的多個(gè)超材料單元組成，而每個(gè)超材料單元包括非金屬基板和附著(zhù)在基板表面上或嵌入在基板內部的人造微結構，具有不同于基板本身的電、磁、力學(xué)特性。因此，整個(gè)超材料在宏觀(guān)上對電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)呈現出特殊的響應特性。

　　超聲波作為一種機械波，具有動(dòng)量和角動(dòng)量，通過(guò)對聲場(chǎng)中物體的散射效應，產(chǎn)生作用于其上的輻射力。微顆?；蛘呶嫾谳椛淞?chǎng)的作用下，穩定的俘獲在合成聲場(chǎng)中的聲勢阱即聲壓節點(diǎn)位置，近年來(lái)超聲波的這種力學(xué)特性在液體環(huán)境中微顆粒的俘獲、聚集及分揀方面已證實(shí)了較好的應用潛力。另外，相控陣超聲技術(shù)的突飛猛進(jìn)為合成具有任意聲壓空間分布的聲場(chǎng)提供了便捷手段。

　　西安交大通過(guò)相控陣超聲陣列在液態(tài)光敏樹(shù)脂中營(yíng)造空間可控聲場(chǎng)，實(shí)現光固化制造環(huán)境中規則排布微結構的非接觸夾持，從而形成既定拓撲結構，解決現有基于立體光固化成型的3D打印設備無(wú)法實(shí)現兩種不同材質(zhì)制備同一結構的問(wèn)題。根據計算機仿真數據得到的微結構空間排布生成目標聲場(chǎng)參數及其對應的相控陣超聲控制參數，實(shí)現光敏樹(shù)脂中既定拓撲結構的非接觸式穩定加持。

　　固體微粒為金屬微球、高分子微球或碳納米管，其特征尺寸介于20-100微米。固體微粒分散于液態(tài)光敏樹(shù)脂前進(jìn)行表面活性處理，使其易于在液態(tài)光敏樹(shù)脂中分散，固體顆粒在液態(tài)光敏樹(shù)脂中的體積分數不超過(guò)1%。

　　超聲波用于基于光敏樹(shù)脂固化工藝用于復合材料的制造在國際上不乏嘗試者。據了解，英國B(niǎo)ristol大學(xué)通過(guò)超聲波來(lái)定位數以百萬(wàn)計的微小增強纖維，形成一個(gè)微觀(guān)的加固框架，超聲波的作用與激光束同時(shí)作用，通過(guò)超聲波用來(lái)誘導材料的微觀(guān)結構排列，通過(guò)激光束用來(lái)固化環(huán)氧樹(shù)脂，從而制造出纖維增強復合材料。