增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展

张 磊, 卓林蓉, 汤桂平, 宋 波, 史玉升

超材料（metamaterial）是一类新型的人工合成的、具有特定物理性质的材料，通常是由周期性或非周期性的人工微结构排列而成，具有天然材料所不具备的奇特物理性质[1-7]。隐身超材料主要分为两类：一类是电磁波隐身超材料，另一类是声波隐身超材料。电磁波隐身超材料通过吸收电磁波并将其转化成其他形式的能量耗散掉，可实现目标对电磁波的吸波隐身；通过控制电磁波绕过目标物体而不产生散射，可实现目标对电磁波的透波隐身。声波隐身超材料通过材料和结构设计引导声波/弹性波按照预设方式传播，是声波/弹性波等领域设计的基础。与传统已知材料性质分布求波传播轨迹不同，电磁/声学隐身功能调控是已知波传播的轨迹而反求所需要的材料和结构形式。隐身超材料通过微结构设计来实现隐身功能，在航空航天等领域具有潜在的应用价值：一方面通过结构设计达到隐身效果，从而实现反侦察的功能；另一方面，微结构属于多孔结构，可实现飞行器的轻量化设计。

1 电磁超材料及其隐身功能调控

电磁超材料可以通过调节单元结构尺寸改变其电磁参数，近年来在隐身技术领域备受关注。利用超材料进行电磁隐身主要可以分为超材料吸波隐身和超材料透波隐身。

1.1 超材料吸波隐身

超材料吸波隐身要求阻抗匹配，衰减匹配，阻抗匹配要求电磁波能够尽量多的传导入介质内，而不被表面反射，衰减匹配指进入介质内部的电磁波能量被迅速地转换为其他能量（如热能等）而耗散掉。2008年，Landy等[8]首次提出“完美吸波体”的概念。“完美吸波体”通过优化结构模型，调控单元电谐振和磁谐振，实现与自由空间的阻抗匹配，降低入射电磁波的反射率，并利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收。Landy提出的吸波体由上层金属谐振层、底层金属短线层以及中间介质层组成，如图1所示。仿真结果表明，该结构在11.65 GHz附近拥有一个近乎完美的吸收峰。这种超材料吸波体具有吸收率高、单元尺寸小等优点，但是吸收频带窄、对电磁波的极化方向十分敏感；这些限制了超材料吸波体的发展及应用，因此，后续有很多学者在推动超材料往宽频、多频、极化不敏感方向发展做了许多努力。宽频研究方面，主要是在一个平面内布置多个几何形状相同但尺寸不同的谐振单元，通过调整单元的尺寸从而调整谐振的频率，使多个相近的吸收峰靠近叠加从而使吸收频带拓宽。Tang等[9]通过将三个尺寸不同的多分裂同心圆环组合起来，在585 nm到800 nm的波段内，模拟得到的吸波率达到97.2%，如图2所示。频带拓宽的另一种方法是通过多层堆积。Wang等[10]通过多层相同尺寸的金属方板设计了在中心频率1.96 THz附近300 GHz范围内，吸收率达99%的太赫兹频段超材料吸波体。多频和宽频的方法类似，也是将不同尺寸的谐振单元组合起来，或者将对应不同频率的谐振单元组合起来，这需要增材制造技术制备多尺度、跨尺度构件的能力。Ghosh等[11]通过将对应不同吸波频率的两个谐振单元进行组合，获得了在4.11 GHz，7.9 GHz，10.13 GHz，11.51 GHz四频段吸波率均接近99%的超材料吸波体，且该结构具有极化不敏感性和宽角度吸波性。极化不敏感主要通过采用中心对称结构来消除。Landy等[12]设计了一种中心对称型金属谐振结构，该结构在1.145 THz频率时，吸波率达到65%。

超材料吸波隐身的另一个体现是关于电磁黑洞，即通过效仿物质在“黑洞”引力场的影响下在空间中的弯曲运动轨迹，实现电磁波能量的全向宽频吸收[13]。2010年，东南大学崔铁军等[14]通过类比光学黑洞的理论，采用具有渐变折射率的非谐振型超材料外壳和具有大损耗介质内核的结构，首次制造了微波频段的全方位电磁黑洞，该结构可以实现各方向入射的电磁波螺旋式地向内弯折，最终被内核的损耗介质吸收，在微波频段的吸波率达到了99%，如图3所示。2015年，西安交通大学田小永等[15]首次制造了由全介质超材料组成的三维电磁黑洞结构，该结构由液体介质作为内核，渐变折射率外壳由木堆结构三维光子晶体构成，实验和模拟的结果均证明该结构能够有效地吸收宽带（12～15 Hz）、全方位的电磁波，如图4所示。

1.2 超材料透波隐身

超材料透波隐身是基于完美隐身的概念，其不同于吸波隐身，而是使电磁波绕射物体从而实现隐身。2006年，Pendry[16]与Leonhadrt[17]均提出了基于超材料的隐身罩，通过变换光学的方法设计隐身罩材料的电磁参数分布，以此来控制电磁波的传播路径，使电磁波绕过物体，在物体后方还是保持原入射方向，看起来好像物体对于电磁波的传播不产生干扰，从而实现完美隐身。同年，Schurig等[18]用金属谐振型超材料制备了微波频段的隐身罩，完成了完美隐身的实验验证。他们将一个铜柱放置在隐身罩中，实验证明该隐身罩能够在引导电磁波绕射的同时有效地减少铜柱的散射场，如图5所示。然而，金属谐振超材料完美隐身罩的固有带宽和损耗缺陷使得此类隐身罩工作频率窄，难以满足实际使用需求。

随后，又有学者提出了地毯式隐身，其原理是将目标隐身区域伪装成平面，从而实现隐身[19]。地毯式隐身材料各向同性且材料参数无极值，可以使用渐变折射率超材料来实现，因此吸波的频率可以拓宽[10]。田小永等[20]采用以金刚石光子晶体为单元结构的全介质渐变折射率超材料，利用光固化成型的方法制造了宽频低损失的隐身地毯，如图6所示。东南大学的崔铁军等[21]制造了一种全三维、宽频带、低损失的微波段隐身地毯。Liu等[22]设计了一种隐身地毯，采用了渐变折射率非谐振式超材料，同样实现了13 GHz到16 GHz的宽频带、低损耗隐身。

2 声学超材料及其隐身功能调控

超材料的声隐身技术称为声隐身斗篷技术，它是利用特殊设计的结构介质保护壳体，人为地控制声波绕开被壳体覆盖区域来实现隐身的新型声隐身技术。这种性能使声波绕过目标后无畸变地传播，从而达到隐身效果。

五模材料（pentamode material，PM）作为一种新型的声学隐身材料，只有一个特征值不为零，是一种退化的弹性介质，最早由Milton和Cherkaev于1995年提出，如图7（a）所示[23]。由于其6个特征值中有5个为零，因此它只能承受某一方向的载荷，在其他方向上均不受任何力的作用，因而具有“水”的特性，也被称为“金属水”或者“金属流体”，如图7（b）所示[24-27]。该材料可以解除变形时正向与剪切方向的形变耦合和解除体积模量与密度之间的耦合，这一特性的存在，让它在声学设备上有潜在的研究价值。由于五模材料的模量可以通过微结构进行调整，在物性参数上具有很大的可控范围，也意味着具有很强的设计性，为特殊的声学设备提供基础。目前，五模材料可用于实现声学隐身斗篷、医用透镜和减震等[28-31]。

2008年，Norris[28]基于变换声学理论从数学上分析了利用五模结构制备声学隐身材料的可行性，并自此引发了全世界范围内对五模材料的关注，和其用于声学设备基础理论和实践的研究。首次制作出五模材料的是Kadic等，他们于2012年以高分子聚合物为原料利用激光直接刻写工艺制造出五模材料，如图8所示，该材料的原型是Milton提出来的金刚石的结构模型，研究了其体积模量、剪切模量和声学性能，并在2013年制备出声学隐身衣[32-37]。

Méjica根据布拉格点阵提出来14种不同的五模材料微结构，他的研究旨在获得足够大的体积模量B与剪切模量G之比[38]。Schittny根据理论分析和实验结论提出，当B/G = 1000时材料的弹性性能接近五模材料球形隐身衣，指出通过优化分层隐身衣的密度和弹性模量，可以改善隐身衣在频率点、甚至频率带上的隐身性能[25,39-40]。张向东等[41]研究了五模材料圆柱形隐身衣结构层数和厚度对隐身衣性能的影响，指出随着层数的增加隐身效果更好，且层厚也对隐身衣性能有较大的影响。Layman等[42]设计了斜蜂窝状的结构，在节点与节点之间的第一维度解释几何参数的变化对五模材料性能的影响，对此后五模材料的设计提供可靠的依据。Zhao等[43-44]设计了一种二维平面的声学隐身五模结构模型，并用声学实验验证了comsol声学模拟结果，而此前没有这方面的实验论证，他们还对平面模型的几何参数变化对声学性能和力学性能的影响规律做了研究，如图9所示。Zadpoor等[45]利用激光选区熔化技术制造出三维声隐身五模材料金刚石模型结构，研究了力学性能的影响因素，发现最小直径尺寸是整体结构承载能力的关键，为声隐身五模超材料的应用奠定了基础。

3 隐身超材料的制备工艺

用于电磁隐身的超材料根据材料的构成可分为谐振型与非谐振型超材料（包括金属非谐振型与全介质超材料）[13,46]。金属谐振型与金属非谐振型超材料都是由金属与介质构成，只是二者工作的频率不同。用于声学隐身的超材料主要分为惯性声隐身[47]和五模声隐身[28]两种。惯性声隐身超材料具有各向异性的体密度与各向同性的弹性模量，由于极点的存在难以实现三维惯性声隐身，五模声隐身超材料具有各向同性的体密度和各向异性的弹性模量，无论是理论上还是实际应用上都能够实现宽频、全角度、轻质的要求，因而五模声隐身超材料具有更为广泛的应用前景[48]。

现有制造隐身超材料的传统工艺方法有印刷电路板法、刻蚀法、机械加工法。印刷电路板法可用于制备金属谐振型与金属非谐振型隐身超材料，如东南大学的崔铁军课题组制造的电磁黑洞中的非谐振型超材料外壳与谐振型超材料内核都是采用电路板雕刻机制造而成[14]，但印刷电路板的方法中刻蚀铜液对环境会造成污染，且大多只能制造二维平面超材料，限制了超材料在三维空间中的应用[21]。刻蚀法包括光刻蚀，电子束刻蚀等，光刻蚀工艺是将光敏高分子制成一定图形的抗蚀性膜，再用化学或电化学方法进行腐蚀或电镀的加工工艺。如Landy等制造的具有极化不敏感特性的中心对称超材料吸波体，就是采用了标准负片光刻技术制造而成[12]。电子束刻蚀指的是在计算机控制下，按照加工要求的图形，利用聚焦后的电子束对基片上的抗蚀剂进行曝光，在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域，根据不同区域的溶解特性，利用具有选择性的显影剂进行显影，溶解性强的抗蚀剂部分被去除，溶解性差或不溶的部分保留下来，从而得到所需要的抗蚀剂图形，如Wang等制造的宽频吸波超材料则是采用电子束刻蚀加工而成[10]；但是刻蚀技术的成本较高，且不适合大尺寸超材料的制造，限制了超材料的广泛应用。机械加工法是利用线切割、微细铣削等技术改变构件尺寸或性能的工艺，如浙江大学的Ding等利用传统的机械铣削的方法制造了以多层四棱台型金字塔为单元结构的微波段宽频吸波器，如图10所示[49]；武汉第二船舶研究所采用微细铣削工艺成功制造了以蜂窝状六边形为单胞的环形铝基五模隐身超材料[50]；但是机械加工法的加工能力往往难以满足复杂结构的要求，且制备周期较长，有时需要特制的模具或刀具。总的来说，由于周期性结构设计的超材料模型往往微小并且复杂，对制造工艺的要求很高，给研发和制造带来了一定的困难，探索一种新的制造隐身超材料的方法势在必行。

20世纪90年代兴起的增材制造技术在制备高精度、高复杂度结构方面具有极大的优势。增材制造技术可加工的材料种类范围广，其尺寸精度受设备的影响，高端的增材制造设备加工精度甚至可以达到1微米，打印精度能够满足超材料制备要求。常见的用于制造隐身超材料的增材制造方法有光固化法、熔融沉积法、激光选区烧结/熔化法等。

光固化成型是指用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的制造后，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。西安交通大学的田小永课题组用光固化光敏树脂的方法制备了电磁黑洞的外壳[15]，该外壳以木堆结构光子晶体作为基本的单元，结构复杂且单元结构在mm量级。美国西北工业大学的Zhou等[51]利用面投影微立体光固化的方法首次制造了太赫兹频段的三维隐身罩，该结构的有效工作频率在0.3～0.6 THz，单元结构为亚波长的矩形孔。面投影微立体光固化法与传统光固化方法最大的不同点在于其一次固化就能成型一个平面，而传统的光固化方法则是采用通过逐点扫描，由点到线，由线到面逐步成型，成型速度相对较慢，且激光斑点的大小直接影响到制件精度。另外，Urzhumov等[52]采用了熔融沉积ABS材料的方法制造了一种超薄、低损耗的、工作于微波频段的全介质地毯隐身罩。德国卡尔斯鲁厄理工学院的Kadic等[32]2012年利用激光直写技术加工高分子聚合物，首次制造出单元结构尺寸为微米级别的三维五模材料微结构。Zadpoor等[45]利用激光选区熔化技术制造出三维声隐身五模材料金刚石模型结构。中南大学的黄小忠团队[53]利用激光选区烧结羰基铁粉和尼龙粉末的混合物，制造了一种周期结构型宽频雷达吸波超材料，如图11所示，模拟和实验结构均表明该结构在8～18 GHz频段的反射率小于–10 dB。利用3D打印制备电磁隐身超材料可以增加制造柔性，使得制造复杂结构变得更加容易，实现材料与功能结构的一体化制造。

4 增材制造隐身超材料的制备问题

增材制造技术制造超材料目前尚未完全成熟，处于研究开发试制阶段，在成形隐身超材料过程中主要涉及阶梯效应、原材料黏附现象、热扩散现象、尺寸精度、粗糙度等问题。

（1）阶梯效应

超材料是由周期性或非周期性的微结构单胞排列构成，是一种具有特定物理性质的点阵结构，因此具备点阵结构减震、减重、降噪等优点，但同时也具有增材制造点阵结构过程中所出现的阶梯效应[54]。阶梯效应是由于增材制造层层叠加的工艺过程导致的，对于倾斜杆或弯曲表面，层与层之间存在显著的错位搭接现象，类似于台阶的阶梯，如图12所示[55]。该现象在制备复杂形状构件时极为常见，在一定程度上影响制件的侧表面质量，可以通过降低层厚的方法弱化它的影响，但这同时也会增加制造的时长。

（2）原材料黏附现象

增材制造工艺在层层叠加过程中，由于加工的能量源为热源，会将原材料黏附在已加工的上一层附近，比如上述图12（b）阶梯效应的未搭接处黏附了诸多原材料粉末。对于原材料为粉末的制造工艺，黏附现象尤为明显。原材料黏附会降低制件的力学性能，恶化制件的表面质量，目前可以通过化学后处理的方法除去黏附的原材料，并进一步提高表面质量[56]。

（3）热扩散现象

增材制造的加工能量源为热源，且由于增材制造的特殊成形方式，在层内不同区域、已加工材料与未加工材料之间，以及不同时间加工的层之间都存在温差，随即产生热扩散现象，如图13所示[57-59]。对于金属超材料，不均匀的热扩散会导致残余应力增大使制件部分开裂甚至坍塌，控制微小尺寸超材料单胞的残余应力，能极大地保证成形过程[60-61]。

（4）尺寸精度和粗糙度

隐身超材料构件部分是用于航空航天或其他精密零部件，因此表面质量和精度是其重要的评价指标。很多零件都有表面粗糙度的要求，以避免在使用中过早失效，现有的增材制造成形隐身超材料表面均需要后处理才能达到应用的表面要求，而这些后处理步骤使得快速成形的优势有所降低并且会增加成本。且超材料特殊性能的实现依赖于微结构单元的尺寸、排列方式、取向等等，这些关键因素都与结构的尺寸精度和粗糙度紧密相关。

5 结束语

超材料由于其特殊的物理性质和材料结构，在航空航天、军工、汽车、医疗等领域具有广泛的应用前景。由于加工过程为离散型分层叠加成形，增材制造技术在成形制备复杂构件方面具有独特的优势，但是由于不均匀的温度梯度和阶梯效应的存在，使得在制备的超材料中出现原材料黏附、表面精度差等现象，限制了其产品的尺寸精度和使用功能。隐身功能-结构-制备工艺的联系，鲜有学者研究清楚，若从根本上建立三者之间的物理模型，阐明工艺策略、结构设计与隐身功能调控机理，对增材制造成形隐身超材料研究具有重大意义。

根据以上阐述，我们提出增材制造隐身超材料的研究分为三个趋势：（1）高精度：研发适用于三维超材料的增材制造工艺，改善增材制造超材料的表面精度、阶梯效应，减少后处理工序，拓宽其应用范围；（2）模型化：探索隐身功能-结构设计-制备工艺三者之间的关系，建立三者之间的物理模型，对实际应用提供指导，实现功能调控、结构设计与制造工艺三者之间的平衡，从而实现复杂多功能三维隐身结构的一体化制造；（3）智能化：未来隐身超材料的发展将向着自适应智能化的方向发展，在外界环境的刺激下，外形可控变形，隐身频段、吸波强度可调节，结合增材制造中的4D打印工艺，隐身超材料有望成为智能隐身构件的关键材料。

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