厦大孙道恒教授课题组《Small》:在超材料制造领域取得新进展

2021-11-05

 

当前,超材料制造工艺主要有印刷电路板(PCB)、光刻、电子束刻蚀等,然而这些工艺在3D超材料结构制造方面普遍存在步骤繁琐、成本高、耗时长等问题,不易与曲面共形,难以满足实际应用条件。3D、曲面共形一体化超材料的制造仍然是一项重大挑战。

 

近日,厦门大学航空航天学院孙道恒教授课题组基于面投影微立体光刻(PµSL)3D打印技术(microArch S240,摩方精密)结合液态金属填充方法制备了3D正交开口谐振环及曲面共形超材料结构,其嵌入式结构特征可有效保护金属谐振层免受外部环境影响,且具有宏-微、结构-功能一体化成型的优势。

 

 

图1 3D打印嵌入式超材料制备流程

 

图2 正交开口谐振环超材料结构及尺寸:(a) 平面型;(b) 半球形仿复眼超材料 (单元尺寸为1.25mm)

 

工艺流程如图1所示,首先使用精度为10μm的3D打印机(microArch S240,摩方精密)制备带有超材料微结构空腔的模型,再利用液态金属真空填充方法制备超材料金属微结构。超材料结构尺寸如图2所示,开口谐振环截面尺寸为0.1mm×0.2mm,顶部开口尺寸为0.3mm,谐振环外径为1mm。

 

图3 液态金属填充及超材料性能测试:(a-b) 平面型及仿生复眼曲面共形超材料液态金属填充前与填充后;(c-d) 超材料传输性能测试

 

图3(a)为3D打印的3D正交开口谐振环、仿复眼曲面共形超材料及局部放大图,图3(b)为填充液态金属后的超材料结构及其局部放大。在液态金属填充满超材料结构空腔后,采用光敏树脂涂覆在液态金属填充入口处并用紫外灯照射固化以密封入口。图3(c-d)为平面型及曲面共形超材料测试结果。

 

该研究将3D打印的灵活性与液态金属的易流动、易填充性相结合,使超材料制造不再受限于复杂结构,开辟了一类复杂超材料结构制造新方法。为超材料的结构创新、功能创新及应用创新奠定工艺基础,拓展了共形超材料的应用范围,如3D光学/电磁隐身衣、智能蒙皮、超透镜等。

 

该成果以题为“3D Printed Embedded Metamaterials”发表于国际期刊《Small》(IF = 13.281)上,论文通讯作者为厦门大学航空航天学院孙道恒教授和陈沁楠助理教授,第一作者为厦门大学航空航天学院博士生张昆鹏。该研究得到了国家自然科学基金(51975498、U1505243、U2005214)和深圳市科技创新委员会技术攻关面上项目(JSGG20201102165202007)的支持与资助。

 

原文链接:

https://doi.org/10.1002/smll.202103262