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智能超材料的創新特性與應用前景

我國超材料產業正處于風起青萍之末。超材料具有超越天然材料屬性的超常物理性能,因而超材料的結構設計理念具有方法論的意義,解除了天然材料屬性對創造設計的束縛。隨著先進制造技術的進步,具有更多樣化、更新奇力學特性的超材料物理模型也相繼不斷展現。當超材料的個性化獨特微結構設計與3D打印制造技術形成完美契合之時,兩者之間相互整合協同創新,正開啟全面推進材料創新設計和制造的新格局。

數字信息化時代的世紀之交,從高效能源生產與存儲到醫療成像諸多方面,智能超材料至關重要。智能超材料泛指能夠感知外界環境并做出響應的一大類功能材料。智能超材料可通過人工特殊的幾何結構設計來調控電磁波和彈性波,展示均勻材料所不具備的新穎奇異力、熱、聲、光學性能。光學超材料研究深入,也被拓展到對聲和其它元激發的調控領域,如聲學、力學、熱學和多物理場耦合的超材料。協同增材制造技術,超材料正成為功能材料研究前沿。

超材料及其創新特性

什么是超材料?一般情況下,可能得到的答案是這樣的:超材料(Metamaterials)指的是一種特種復合材料或結構,通過對材料關鍵物理尺寸上進行有序結構設計,使其獲得常規材料所不具備的超常物理性質。因為這就是2015年頒布的電磁超材料術語(GB/T32005-2015)規定的。

而在這里,我們可以換個角度來理解超材料的設計理念(圖1)。為了讓不同的讀者群體理解,可以類比兩件事,一是積木玩具,二是電影蒙太奇。

首先,積木是不同幾何形狀的立體木制或塑料固體玩具,可以進行不同的排列或搭接成各種樣式,可拼成房子或是小動物;類似地,超材料也具有由自然材料制成的“積木塊”(不過尺寸為微毫米級),稱為人工原子。用這些人工原子,也可以排列或搭接成具有不同形狀和功能的幾何結構。如此得到的幾何結構不僅僅只是玩具吧?可以做些什么吧?是的,那是一門藝術。

其次,可以通過類比電影蒙太奇理論來理解。蒙太奇(Montage)是來自法語建筑學概念,意為構成和裝配。在電影領域引申為剪輯和組合,表示鏡頭的組接,就是將一系列在不同地點、從不同距離和角度、以不同方法拍攝的鏡頭排列組合起來,敘述情節刻畫人物。當不同的鏡頭組接在一起時,往往又會產生單個鏡頭所不具有的含義。這一理念使得電影“從一種影像記錄技術走向一種影像創造技術”。而這種源自建筑概念的創新藝術理念,其本質也體現在材料創新設計中,超材料就是蒙太奇在材料科學領域的實際應用。具體來說,就是將不同外形屬性的幾何結構,類似積木塊的人工原子,重新排列組合起來,形成一種新功能材料。當不同的人工原子組接在一起時,也往往會形成單個人工原子所沒有的材料屬性和功能特征。這種由不同幾何形狀材料的人工原子構筑超材料的過程,就是新材料的創新性設計。

為此,當考察一個術語代表什么意思時,這是語義面向,而當結合了其他詞語和其使用角度來考察時,就是處理了該術語的語用面向。無論如何,好的術語定義目的是在于讓爭辯聚集于事實,也就是說把用語之爭轉換成事實之辨,從而將理論研究推向深入探究。不過,科學家們的操作步驟的關鍵特征無非是最大限度地調用頭腦,不受任何拘限地重新組合設計新材料。一般情況下,常規自然材料的物理屬性取決于構成材料的基本單元及其結構,例如原子、分子、電子、價鍵、晶格等。這些基元與顯微結構之間存在關聯影響。因此,在材料設計中需要考慮多種復雜的物性因素,而這些因素的相互影響也往往限定了材料性能固有極限。為此,超材料設計從根本上摒棄了自然原子設計所囿,利用人工構筑的幾何結構單元,在不違背物理學基本定律的前提下,以期獲得與自然材料迥然不同的超常物理性質的新材料。

簡言之,超材料是一大類型人工設計的周期性或非周期性的微結構功能材料,具有超越天然材料屬性的超常物理性能。超材料借助人工功能基元構筑的結構設計源起于(但不限于)對自然材料微結構的模仿,從而獲得為人類所希冀的負折射、熱隱身、負剛度、輕質超強等天然材料所不能呈現的光、熱、聲、力學等奇異性能。從這個角度講,超材料的結構設計理念具有方法論的意義,解除了天然材料屬性對創造設計的束縛。盡管這一理念早在上個世紀就已在電磁領域初具雛形,不過直至近十年來,方才開啟研發電磁波的調控,以實現負折射、完美成像、完美隱身等新穎功能。隨著先進制造技術的進步,具有更多樣化、更新奇力學特性的力學超材料物理模型也相繼不斷展現。尤其是當超材料的個性化獨特微結構設計與3D打印制造技術形成了完美的契合之時,兩者之間相互整合協同創新,正開啟全面推進材料創新設計和制造的新格局。

超材料類型及研究現狀

材料的屬性,不是僅僅由一種物性決定,也不是幾種晶體學特性的總和,或是一系列的微尺度晶界工程特性來決定的,而是由材料晶體結構各個單元之間的本構關系,也就是不同晶格單元之間如何組合的結構拓撲關系所決定的,而這些外在表現出來的宏觀物理學的行為屬性,發揮著其應有的可利用價值。例如,需要一種密度低的輕質材料,那么就要把質量密度和強度放在一起來考量?!叭藗冎挥信c線性思想決裂,才能以既統一又特定的方式解釋實踐的無限多樣性,從而致力于重建表現在每個因素中的錯綜復雜的關系”(布爾迪厄《區分》)。超材料的人工幾何結構設計,其中一個顯著特點正是從有條理簡單的線性體系上升到非線性系統,如圖2所示不同類型的超材料,其中光學超材料基于非線性光學對電磁波進行調控。

光學超材料

光學超材料能夠控制電場和磁場,從而可以在正值、負值和接近零值的范圍內精確調整介電常數和滲透率。通過對亞波長“人工原子”的精心設計,光學超材料實現了負折射、低于光的衍射極限的光學透鏡和隱形效應。電磁波調控可包括數字可編程、光開關、可記憶功能、信息處理器件以及自旋電子器件等。占應用主導的光學超材料,也適用于在不同頻段產生響應的超表面柔性基底大變形及其等離子激元器件。

光學超材料在信息技術應用方面以負折射材料最為典型,它可以獲得沒有衍射極限的完美透鏡,因而對任何微細圖形進行多次復制,這對微電子技術將產生重要影響。光學超材料可調控包括太赫茲在內的不同頻段電磁波,其應用范圍越來越廣泛,包括隱身衣、電磁黑洞、雷達幻覺器件、遠場超分辨率成像透鏡、新型透鏡天線、隱身表面、極化轉換器、混合集成電路等軍事國防領域。

聲學超材料

與光學超材料類似,聲學超材料是通過人為設計由兩種或以上材料構成周期性/非周期性幾何結構,其結構單元尺寸遠小于波長,該人工結構功能材料可以在長波極限下反演得到相應的有效彈性參數。聲學超材料也展現了許多奇異的物理現象和超常規聲學效應,如聲波低頻帶隙、聲負折射、聲聚焦、聲隱身、聲定向傳輸等。在非線性領域,非諧振聲傳輸線超材料可呈現雙負本構參數,并且不依賴于諧振微單元,具有寬頻帶和低損耗等優勢。結合變換聲學和線性坐標變換,可以設計出各向異性的材料參數,以獲得聲波的隱身效果。這種調節材料有效參數的方法可以應用到其他變換聲學的領域,比如設計聲波全向吸收體、聲全向偶極輻射、聲波幻象或者在聲波中實現類光的一些新奇效應等。

聲學超材料可應用于人工聲子帶隙材料和吸聲材料。人工聲子帶隙材料可以與仿生學結合,比如人耳識別系統、果蠅定向系統、蝙蝠定位系統等。吸聲材料對于音頻聲學,水下超聲的吸聲層消聲瓦等水聲學,實現薄層、低頻、寬帶的吸聲效應。此外,還可用于實現亞波長聲學信息處理的超高分辨率聲透鏡、聲學器件集成和聲場微尺度調控,在分子醫學超聲成像、微納結構無損檢測等方面都有很強的應用背景。

熱學超材料

自然材料的熱導系數在空間均勻分布,熱量從溫度高的一端直線流向溫度低的一端。這是人們所熟知的熱傳導模式。借助于已經成熟的光學超材料對光波的調控機理,基于對宏觀熱擴散方程的空間變換,熱學超材料可以實現熱流的“空間壓縮”,從而調控熱流方向。通過構造不同空間分布的非均勻熱輸運介質,可實現對熱流方向的精確控制,使得熱流可以繞過目標物體或者聚焦于目標物體,產生諸如熱隱身、熱反轉、熱匯聚以及熱偽裝等奇特功能。

熱學超材料是可感知外部熱源并主動響應、人工構造而實現熱導系數非均勻分布的功能材料,主要可用于微納米結構的熱電轉換,如控制熱流和利用熱能,以及利用聲子進行信息傳輸和處理。其中熱二極管、熱三極管、熱邏輯門、熱存儲器等概念,奠定了聲子學的理論基礎。為此,熱能超材料將會在很多領域有巨大的潛在用途,如建筑節能材料、太陽熱能利用、新一代低能耗綠色微/納米電子器件、隔熱保護、熱輻射偽裝、廢熱回收和應用、控制熱量定向輻射可制成航空器(衛星)蒙皮等。此外可以同時控制信息和熱能耗散,這將是未來低能耗綠色電子器件的發展方向。

力學超材料

在光學和聲學超材料成功研發的基礎上,力學超材料已被開發用于獲得特殊或極端彈性張量和質量密度張量,從而以前所未有的方式,塑造著靜態應力場或縱向/橫向彈性振動流場。這些超常的力學性能主要包括負泊松比、負彈性、負剛度、負可壓縮性。如圖3所示,常規材料被拉伸時收縮,而負泊松比材料在拉伸時是會膨脹的。在靜水壓力作用下常規材料會收縮,而負可壓縮超材料卻一反常態,在外力作用下不會收縮,反而出現一個或兩個方向上的膨脹效應。目前,正在開發的典型力學超材料包括負泊松比拉脹、輕質超強、負質量密度、負模量、五模式反脹、各向異性質量密度、折紙、非線性、雙穩態、可重編程和地震波屏蔽等類型和結構的力學超材料。

力學超材料是基于多孔、手性/反手性、五模式等復雜拓撲結構來調控彈性波的一類新興超材料。利用3D打印技術可以制造個性化多樣化的不同幾何結構材料,圖3顯示的是正負泊松比可編譯調節在-12到12之間的負泊松比拉脹材料。其呈現的高壓痕抵抗性、抗剪切性、能量吸收性和斷裂韌性,可有效地應用于形狀記憶和生物假體等組織工程和生物醫療。這些新型的靜態彈性力學超材料將在復合材料工業應用、拉脹濾網、拉脹纖維、航空航海材料、深??箟翰牧?,新型吸聲抗震材料、防彈衣等方面有廣泛應用前景。比如利用拉脹材料結合變換光學,實現壓力智能控制的微波隱身材料。

負熱膨脹超材料

大部分自然材料熱膨脹系數為正值,即體積會隨著溫度的增加而變大,在溫度下降時體積也會減小。存在一些特殊材料,某個溫度區間內熱膨脹系數為負數的材料,稱之為負熱膨脹材料。不過這類自然材料可調控的溫度空間比較窄,尤其是在外部空間中從-150℃到150℃,出現較大的溫度波動應用時。為此,負熱膨脹超材料是指一類人工構筑的幾何結構材料,當被加熱時整體幾何結構中出現一個方向或是多方向的收縮效應,并拓寬從正值到負值的熱膨脹系數范圍。

在室溫下表現出的負熱膨脹的力學超材料具有多種應用,主要用于控制各種復合材料的整體熱膨脹。具有低熱膨脹系數的材料對溫度變化不太敏感,因此在諸多工程領域中都是有需求的,例如精密儀器、掃描電子顯微鏡、柔性電子設備、生物醫學傳感器、熱致動器和微機電系統。低熱膨脹系數材料在航空航天部件中也特別重要,例如天基鏡和衛星天線,這些部件構建在地球上但在外部空間中操作,其中寬溫度波動可能導致不希望的形狀和尺寸收縮。負熱膨脹系數超材料可調節零或負熱膨脹系數,可用于衛星天線、空間光學系統、精密儀器、熱執行器和微機電系統,提高可調溫度范圍至1500℃,提高負熱膨脹系數30%,可達到高溫條件下材料零膨脹特性。

超材料的應用前景

基于思想實驗的超材料研究充滿了創新的機遇與創意的美感,為科學原理在諸多領域的應用提供廣闊的空間,也為解決人類面臨的重大技術和工程問題提出了一種嶄新的思路。我國超材料產業正處于風起青萍之末?,F有智能超材料的產業應用雖說多限于軍事國防、部分公共設施等少數領域內,尚未在國民經濟相關領域得到大規模推廣,不過未來不會僅限于此,超材料產業可以更具多樣化。如太赫茲超材料技術在石油勘測,可編程可穿戴超材料在紡織品工業,無線充電光學超材料在電動汽車等交通工具,電磁超表面在航空航天蒙皮材料,以及在移動通信中的無線信道技術等。這些愿景無疑有助于鼓勵一批創新能力較強的超材料骨干企業向縱深和多元化發展。

未來十年,電磁超材料將在原理摸索和工程應用相結合的基礎上,實現大規模產業化。在智能超材料領域,超材料微結構單元或群體將具備自感知、自決策、可控響應等功能,通過與數字網絡系統深度融合,形成材料級的CPS系統,并結合大數據技術,實現材料領域的突破式質變。未來十年,智能超材料技術將完成工程產品的全面轉化,并在復雜電磁環境下聯合智能作戰平臺、智能隱身裝備、智能可控電磁窗、下一代雷達、立體電子戰、飛行器智能網絡、車輛交通智能網絡、可穿戴設備智能網絡、超材料智能物聯網等實現顛覆式產業應用。在隱身作戰方面,隨著各類隱身結構件及隱身電磁窗設計技術的不斷成熟,武器裝備在紅外波段到P、VHF波段的隱身性能全面提高,被雷達探測距離有望縮短90%以上。同時,電磁超材料的設計、仿真和加工能力將大幅提升,工作頻譜將從微波進一步拓展到毫米波、太赫茲、光波段等;超材料的形式也由無源被動向智能可控、數字化可編程等主動方式演變。在天線方面,低成本、輕量化的共形天線設計技術將更為成熟,具備低副瓣、寬頻帶、低色散、可變覆蓋范圍等超出傳統天線性能的超材料新型天線將全面走向應用?;谔沾珊图{米材料等新體系的電磁超材料將日趨成熟,電磁超材料的應用廣度和深度將不斷拓展。

據預計,全球超材料市場規??蛇_14.3億美元;2017-2025年復合年增長率將達63.1%。超材料研究和應用也將延伸到聲、熱、力學等領域?;诼晫W超材料的新型隔聲技術能實現飛機、坦克、運兵車、指揮所,乃至單兵降噪軍服和頭盔等軍事裝備的聲學隱身;聲學超材料有望讓潛艇穿上“隱聲衣”,從而不被低頻聲納和其他超聲波設備探測到。熱學超材料因可控熱輻射和可控熱傳導的特異性能,有望為所有的作戰單元(包括飛機、艦艇、導彈、單兵等)穿上熱隱身外衣,不僅實現熱學隱身,更能減少惡劣氣候(高寒、酷熱)引起的非戰斗減員;“熱幻象偽裝術”還能使作戰單元躲避敵方熱/紅外探測儀偵測。力學超材料因負泊松比、負壓縮轉換等特性,可用于制造觸覺斗篷、耐壓縮/耐拉伸材料、彈性陶瓷、可編程橡膠海綿、輕質高強材料等,在耐疲勞發動機零件、防震動蒙皮、航空航天輕質高強結構等領域有廣泛應用前景。

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