2018年第38卷 航空材料学报 2018.Val.38 第3期 第10 9页 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.3 pp.10-19 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 (华中科技大学材料成形与模且技术国家雷占宝：验密，武汉430074) 摘要：超材料作为一种新型拓扑优化设计的结构材料，展现出特殊的物理性质，比如负泊松比、负折射率等，在被动 控制和隐身方面有重要的潜在应用价值，因此受到国内外的广泛关注。增材制造技术，又称为3D打印技术，适合 于制造复杂形状的结构，利用增材制造技术制造隐身超材料具有较高的几何自由度和尺寸精度，为超材料的广泛 应用提供技术条件， 本文基于超材料的基本概念，对隐身超材料结构设计、功能调控的研究进展进行详细介绍，进 步介 造隐身超材料日 化法、熔 积法 去，并讨论了增材制造超 原材 尺寸精 、粗糙度等问题 :增材制 身功能 文章编号 005. 5053(2018)03-0010-10 超材料(metamaterial)是 一类新型的人工合成 用超材料进行电磁隐身主要可以分为超材料吸波 的、具有特定物理性质的材料，通常是由周期性或 隐身和超材料透波隐身。 非周期性的人工微结构排列而成，具有天然材料所 1.1超材料吸波隐身 不具备的奇特物理性质 。隐身超材料主要分为 材料吸波隐身要求阳拉匹配衰减匹配阳 两类：一类是电磁波隐身超材料，另一类是声波隐 抗匹配要求电磁波能够尽量 多的传导入介质内，而 身超材料。电磁波隐身超材料通过吸收电磁波并 不被表面反射，衰减匹配指进入介质内部的电磁波 将其转化成其他形式的能量托散掉。可实现目标对 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1首次提出“完美吸波体 ,可实现目标对电硒 支隐 的概令。 声波隐身超材料通过材料和结构设计引导 “完美吸波体”通过优化结构模型，调控 声波/ 单 电谐振和磁谐抚 实现上 自由空间的阻抗 性波按照预设方式传播，是声波/弹性波等领域 配，降低入射电磁波的反射率，并利用结构单元的 计的基础。与传统已知材料性质分布求波传播轨 介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收 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 Land小y提出的吸波体由上层金属谐振层、底层金属 每线层以及中间介质层组成.如图1所示。仿直结 料通过微结构设计来实现隐身功能在航空航天等 域具有潜在的应用价值 果表明，该结构在11.65GHz附近拥有 个近乎完 一方面通过结构设计达 到 身效果 从而实到 面，微 美的吸收峰 这种超材料吸波体具有吸收率高 构属于多孔结构，可实现飞行器的轻量化设计。 元尺寸小等优点，但是吸收顺带窄、对电磁波的极 化方向十分橄感：这些限制了超材料吸波体的发限 1 电磁超材料及其隐身功能调控 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 电磁超材料可以通过调节单元结构尺寸改变 频研究方面，主要是有 个平面内布置多个几何无 其电磁参数，近年来在隐身技术领域备受关注。利 状相同但尺寸不同的谐振单元，通过调整单元的月 寸从而调整谐振的顿率，使多个相近的吸收峰靠近 叠加从而使吸收频带拓宽。Tng等酒过将三个 收稿日期.2018-04-04：修订日期.2018-04-12 基金项目：国家自然科学基金面上项日(51775208) 尺计不同的多分列同圆环组合起来在585 通讯作者：宋波(1984 ),男.博士，副教授，主要从事增材 到800nm的波段 ,模拟得到的吸波率 达到97 制造(3D打印)技术方面的研究.(E-mail)s0ngbo42002@ 如图2所示。频带拓宽的另一种方法是通过多尼 163.c0m 堆积。wang等ol通过多层相同尺寸的金属方板设 1994-2018 China Academic lournal Electronic publishing House All rights r http: www enki net
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 （华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074） 摘要：超材料作为一种新型拓扑优化设计的结构材料，展现出特殊的物理性质，比如负泊松比、负折射率等，在波动 控制和隐身方面有重要的潜在应用价值，因此受到国内外的广泛关注。增材制造技术，又称为 3D 打印技术，适合 于制造复杂形状的结构，利用增材制造技术制造隐身超材料具有较高的几何自由度和尺寸精度，为超材料的广泛 应用提供技术条件。本文基于超材料的基本概念，对隐身超材料结构设计、功能调控的研究进展进行详细介绍，进 一步介绍增材制造隐身超材料的光固化法、熔融沉积法、激光选区烧结/熔化法等工艺方法，并讨论了增材制造超 材料在制造过程中存在的阶梯效应、原材料黏附现象、热扩散现象、尺寸精度、粗糙度等问题。 关键词：超材料；结构设计；增材制造；隐身功能 doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2018.001009 中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2018)03-0010-10 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 收稿日期：2018-04-04；修订日期：2018-04-12 基金项目：国家自然科学基金面上项目（51775208） 通讯作者：宋波（1984—），男，博士，副教授，主要从事增材 制造（3D 打印）技术方面的研究，（E-mail）songbo42002@ 163.com。 2018 年 第 38 卷 航 空 材 料 学 报 2018，Vol. 38 第 3 期 第 10 – 19 页 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.3 pp.10 – 19
第3期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 计了在中心频率1.96THz附近300GHz范用内 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走 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4.11G,7.9G2 10.13GH.151GH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橄感性和宽角 度吸波性。极化不橄感主要通讨采用中心对称结 图1 密吸减休体儿尽电谐环®)底部金 构来消除。Landy等设计了一种中心对称型金 属谐振结构，该结构在1.145THz频率时，吸波 Fig.1 gr(( subst 达到65%。 unitcell (a) (b) 图2宽频吸波体网(a)示意图(b)单元结构 Fig.2 Broadband absorber (a)schematic diagram:(b)a unit cell 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11.2010年，东南大学崔铁军等通过类 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 现各方向人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 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 图3 15Hz)、全方位的电蓝波，如图4所示。 1.2超材料透波隐身 Fig.3 Electr nal absorber 超材料透波隐身是基于完美隐身的概念，其不 (a)model of 同于吸波隐身，而是使电磁波绕射物体从而实现隐 an electrom netic omnidirectiona 身。2006年，Pendry1与Leonhadrt均提出了基 1994-2018 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserve http://www.cnki.ne
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 (a) (b) (c) E,x k,z H,y t a2 W G a1 L H 图 1 完美吸波体[8] （a）上层电谐振环;（b）底部金属 短线;（c）整体单元结构 Fig. 1 Perfect metamaterial absorber[8] （a）upper electric ring resonator (ERR);（b）substrate cutwire;（c） unitcell z y x r3 h1 h2 h3 r2 r1 d ω (a) (b) 图 2 宽频吸波体[9] （a）示意图;（b）单元结构 Fig. 2 Broadband absorber[9] （a）schematic diagram;（b）a unit cell (a) (b) 图 3 东南大学制造的电磁黑洞结构[14] （a）全方位电磁 吸波体模型;（b）超材料制备的全方位吸波装置 Fig. 3 Electromagnetic（EM）omnidirectional absorber fabricated by Southeast University[14] （a）model of an electromagnetic omnidirectional absorber;（b） fabricated artificial omnidirectional absorbing devicebased on metamaterials 第 3 期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 11
12 航空材料学报 第38卷 o 60 mm 142mm 图4西安交通大学制造的电磁黑洞结构时(a)电磁黑洞内核，(b)电磁黑洞外壳 Fig.4 EM way tor fabr hell M icated by Xian Jiaotong University （a）in er core of EM wave co ntrator,(b)outer 于超材料的隐身罩，通过变换光学的方法设计隐身 身地毯，采用了渐变折射率非谐振式超材料，同村 罩材料的电磁参数分布.以此来控制电磁波的传播 实现了13GHz到16GHz的宽顺带、低损耗隐身。 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 生于扰，从而实现完美隐身。同年，Schurig等用 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置工作顿率窄，难以满是实际 使用需求。 图6西安交通大学制造的隐身地毯圆 Fig.6 Carpet cloak fabricated by Xi'an Jiaotong University 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 L儿 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。 图5首次实现的完美隐身罩 Fig5 Firstreaif perfect eetrmti 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 随后，又有学者提出了地毯式隐身，其原理 一种退化的弹性介质，最早由Milton和Cherkaey 将目标隐身区域伪装成平面，从而实现隐身。地 于1995年提出，如图7(a)所示。由于其6个特 毯式隐身材料各向同性且材料参数无极值，可以使 征值中有5个为零，因此它只能承受某一方向的载 用渐变折射率超材料来实现，因此吸波的频率可以 荷，在其他方向上均不受任何力的作用，因而具有 拓宽。田小永等采用以金刚石光子晶体为单元 水的特也称为“全 ”或者“金属流 结构的全介质渐变折射率超材料，利用光固化成型 体”，如图7(b)所示 。该材料可以解除变形时 的方法制造了宽频低损失的隐身地毯，如图6所示 正向与剪切方向的形变摇合和解除体积模量与密 东南大学的雀铁军等制造了 种 三维、宽须带 度之间的耦合，这一特性的存在，让它在声学设备 低损失的微波段隐身地毯。Lu等西设计了一种隐 上有潜在的研究价值。由于五模材料的模量可以 1994-2018 China Academic lournal Electronic publishing House All rights reserved htto/ww enki net
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 142 mm (a) 60 mm (b) 图 4 西安交通大学制造的电磁黑洞结构[15] （a）电磁黑洞内核;（b）电磁黑洞外壳 Fig. 4 EM wave concentrator fabricated by Xi’an Jiaotong University[15] （a）inner core of EM wave concentrator;（b）outer shell of EM wave concentrator 4 3 2 1 10 20 30 40 50 60 −1 [mm] z^ θ ^ r ^ 10 μr μθ εz 图 5 首次实现的完美隐身罩[18] Fig. 5 First realization of perfect electromagnetic cloak[18] 100 mm 图 6 西安交通大学制造的隐身地毯[20] Fig. 6 Carpet cloak fabricated by Xi’an Jiaotong University[20] 12 航 空 材 料 学 报 第 38 卷
第3期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 13 通过微结构进行调整，在物性参数上具有很大的可学设备提供基础。目前，五模材料可用于实现声学 控范围，也意味者具有很强的设计性，为特殊的声 隐身斗篷、医用透镜和减震等。 a expansion materialv eoarnoah38cP 图7原旅材树的单所结构及其转低参督四（a)Moa和Ccav提出的五旋隐身超材料微结钓单泡（）常见材料 Fig.7 rs and 2008年，Norris基于变换声学理论从数学上 分子聚合物为原料利用激光直接刻写工艺制浩 分析了利用五模结构制备声学隐身材料的可行性， 出五模材料.如图8所示.该材料的原型是Mto 并自此引发了全世界范围内对五模材料的关注，和 提出来的金刚石的结构模型，研究了其体积模量 其用于声学设备基础理论和实践的研究。首次制 剪切模量和声学性能，并在2013年制备出声学隐 作出五模材料的是Kadic等，他们于2012年以高 身衣2-7。 6 100μm 图8激光直写技术制备的五模隐身超材料四 Fig Pentamode stealth metamaterial fabricated by direct laser writing Mejica根据布拉格点阵提出来14种不同的五 果更好，且层厚也对隐身衣性能有较大的影响 模材料微结构，他的研究旨在获得足够大的体积模 Layman等设计了斜蜂赛状的结构，在节点与节 量B与剪切模量G之比。Schittny根据理论分 点之间的第一维度解释几何参数的变化对五模材 析和实验结论提出.当BG=1000时材料的弹性性 料性能的影响，对此后五模材料的设计提供可靠的 能接近五模材料球形隐身衣，指出通过优化分层隐 依据。Zhao等4设计了一种二维平面的声学隐 身衣的密度和弹性模量，可以改善隐身衣在频率 身五模结构模型，并用声学实验验证了comsol 点其至频名带上的隐身性能一4。张向东等 声学模拟结果，而此前没有这方面的实验论证，他 研究了五模材料圆柱形隐身衣结构层数和厚度对 们还对平面模型的几何参数变化对声学性能和力 隐身衣性能的影响，指出随者层数的增加隐身效 学性能的影响规律做了研究，如图9所示。Zadpoor 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.enki.net
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 (a) (b) Ceramics Composite Metal Polymer Shear modulus,G/GPa PM/Fluid Tensile expansion material v=−1 v=1/8 v=0.3 v=0 v=0.5 Bulk modulus, K/GPa300 200 0 100 0 100 200 300 图 7 五模材料的单元结构及其特征参数[23] （a）Milton 和 Cherkaev 提出的五模隐身超材料微结构单胞;（b）常见材料 的体积模量、剪切模量的取值空间 Fig. 7 Unit cell of pentamode material and its characteristic parameters[23] （a）unit cell of pentamode stealth metamaterial proposed by Milton and Cherkaev;（b）value space of bulk modulus and shear modulus of common materials (a) 100 μm 20 μm (b) d h/2 D 图 8 激光直写技术制备的五模隐身超材料[32] Fig. 8 Pentamode stealth metamaterial fabricated by direct laser writing[32] 第 3 期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 13
14 航空材料学报 第38卷 等利用激光选区熔化技术制造出三维声隐身五素，发现最小直径尺寸是整体结构承载能力的关 模材料金刚石模型结构，研究了力学性能的影响因 键，为声隐身五模超材料的应用奠定了基础 ▲1 17 1.21 图9五模隐身材料的试件及声场模拟结果 (a)五模隐身超材料三维模型：(b)制备的五模隐身材料试件：（©）实 体块体的声场云图：(d)五模隐身材料的声场云图 Fig.9 Specimens made of pentamode stealth metamaterial and simulation results of sound field (a)3D model of ekCStehiamlCb2spcmesopentanoteeahmctamaierl(e)oundieddstnibionoisold 用电路板雕刻机制造而成，但印刷电路板的方法 3隐身超材料的制备工艺 中刻蚀铜液对环境会造成污染，且大多只能制造 维平面超材料，限制了超材料在三维空间中的应 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 用2。刻蚀法包括光刻蚀，电子束刻蚀等，光刻蚀 全介质超材料)。金属谐振型与金属非诺振型 工艺是将光敏高分子制成一定图形的抗蚀性膜，再 超材料都是由金属与介质构成，只是二者工作的频 用化学或电化学方法进行腐蚀或电镀的加工1 艺。如Landy等制造的具有极化不敏感特性的中 率不同。用于声学隐身的超材料主要分为惯性声 心对称超材料吸波体就是采用了标准负片光刻技 隐身和五模声隐身2两种。惯性声隐身超材料 术制造而成。电子束刻蚀指的是在计算机控制 具有各向异性的体密度与各向同性的弹性草量，由 下，按照加工要求的图形，利用聚焦后的电子束对 于极点的存在难以实现三维惯性声隐身，五模声 基片上的抗蚀剂讲行曝光，在抗使剂中产生具有不 身超材料具有各向同性的体密度和各向异性的弹 同溶解性能的区域，根据不同区域的溶解特性， 利 性模量，无论是理论上还是实际应用上都能够实现 用具有选择性的显影剂进行显影，溶解性强的抗蚀 宽频、全角度、轻质的要求，因而五模声隐身超材 剂部分被去除，溶解性差或不溶的部分保留下来 料具有更为广泛的应用前景。 从而得到所需要的抗蚀剂图形，如Wang等制造的 现有制造隐身超材料的传统工艺方法有印刷 宽频吸波超材料则是采用电子束刻蚀加工而成 电路板法、刻蚀法、机械加工法。印刷电路板法可 但是刻蚀技术的成本较高，且不适合大尺寸超材料 用于制备金属谐振型与金属非谐振型隐身超材料 的制浩限制了招材料的广泛用。机械加工法是 如东南大学的崔铁军课题组制造的电磁黑洞中的 利用线切制、微细铣削等技术改变构件尺寸或性能 非谐振型超材料外壳与谐振型超材料内核都是采 的工艺，如浙江大学的Dig等利用传统的机械铣 1994-2018 China Academic lournal Electronic publishing House All rights reserved
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 (a) (b) (c) 1.66 −1.71 1.5 1.0 0.5 0 −0.5 −1.0 −1.5 (d) 1.21 −1.21 1.0 0.5 0 −0.5 −1 图 9 五模隐身材料的试件及声场模拟结果[43-44] （a）五模隐身超材料三维模型;（b）制备的五模隐身材料试件;（c）实 体块体的声场云图;（d）五模隐身材料的声场云图 Fig. 9 Specimens made of pentamode stealth metamaterial and simulation results of sound field[43-44] （a）3D model of pentamode stealth metamaterial;（b）specimens of pentamode stealth metamaterial;（c）sound field distribution of solid block;（d）sound field distribution of pentamode stealth metamaterial 14 航 空 材 料 学 报 第 38 卷
第3期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 15 削的方法制造了以多层四棱台型金字塔为单元结 料可以增加制造柔性，使得制造复杂结构变得更加 构的微波段宽颍吸波器，如图10所示：武汉第二 容易，实现材料与功能结构的一体化制造。 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：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，目制备周期较长，有时需要特制的模只或 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 图10机械磨削加工制备的微波段宽颊吸波器网 造技术可加工的材料种类范围广，其尺寸精度受设 各的影响，高端的增材制浩设备加工精度其至可以 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微光聚 焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面 序凝固，完成 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 文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 电磁黑洞的外壳 习，该外壳以木堆结构光子品体 图11激光选区烧结制备的吸波超材料四 为基本的单元，结构复杂目单元结构在mm量级 Fig.11 by selectiv 美国西北工业大学的Z小ou等利用面投影微立体 光固化的方法首次制造了太赫兹频段的 罩，该结构的有效工作频率在0.30.6THz,单元结 4 增材制造隐身超材料的制备问题 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 增材制造技术制造超材料目前尚未完全成熟、 能成型一个平面，而传统的光固化方法则是采用通 处于研究开发试制阶段，在成形隐身超材料过程中 过逐点扫描，由点到线，由线到面逐步成型，成型速 主要涉及阶梯效应、原材料黏附现象、热扩散现 度相对较慢，日激光斑点的大小直接影响到制件精 象、尺寸精度、粗糙度等问题。 度。另外.Urz小umov等采用了控独沉积ABS材 (1)阶梯效应 料的方法制造了一种超薄、低损耗的 工作于微波 韬材料是由周期性或非周期性的微结构单胎 段的全介质地毯隐身罩。德国卡尔斯鲁厄理工 排列构成，是 种具有特定物理性质的点阵结构 学院的adc等22012年利用激光古写技术加工 因此具备点阵结构减震、减重、降噪等优点，但同 高分子聚合物，首次制造出单元结构尺寸为微米级 时也具有增材制造点阵结构过程中所出现的阶梯 别的三维五模材料微结构 Zadpoor等 利用激光 效应网。阶梯效应是由于增材制造层层叠加的了 选区熔化技术制造出三维声隐身五模材料金刚石 艺过程导致的，对于倾斜杆或弯曲表面，层与层之 模型结构。中南大学的黄小忠团队利用激光选 间存在显著的错位搭接现象，类似于台阶的阶梯， 又烧结器基铁粉和尼龙粉末的混合物.制浩了一种 如图12所示。该现象在制备复杂形状构件时极 周期结构型宽频雷达吸波超材料，如图11所示，模 为常见在 一定程度上影响制件的侧表面质量， 拟和实验结构均表明该结构在818GHz频段的反 以通过降低层厚的方法弱化它的影响，但这同时也 射率小于-10B。利用3D打印制备电磁隐身超材 会增加制造的时长。 1994-2018 China Acade Electronie Publish ing All rights reserve http://www.cnki.ne
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。 图 10 机械磨削加工制备的微波段宽频吸波器[49] Fig. 10 Broadband microwave metamaterial absorber fabricated by mechanical milling method[49] 图 11 激光选区烧结制备的吸波超材料[53] Fig. 11 Radar absorbing metamaterial fabricated by selectivelaser sintering[53] 第 3 期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 15
16 航空材料学报 第38卷 (b) netal particle 图12台阶效应示意图()圆柱杆高倍SEM图像，(b)选择性激光熔化制造圆柱杆示意图 Fig.12 Schematic of stairease-shaped profile (a)high magnification SEM image of eylindricalstrut,(b)schematic of cylindrical strut fabricated by selective laser melting (2)原材料黏附现象 (3)热扩撒现象 增材制造工艺在层层叠加过程中，由于加工的 增材制造的加工能量源为热源，且由于增材 能量源为热源，会将原材料黏附在已加工的上一层 制浩的特殊成形方式.在层内不同区域、已加工材 附折比加上术图12(h)阶梯效应的未搭接外黏图 料与未加工材料之间，以及不同时间加工的层之 了诸多原材料粉末 对于原材 东的制造 如图3所 艺，黏附现象尤为明显。原材料黏附 会降低制件的 在 于金属超材料，不均匀的热扩散会导到 力学性能，恶化制件的表面质量，目前可以通过化 残余应力增大使制件部分开裂甚至坍塌，控制微 学后处理的方法除去黏附的原材料，并进一步提高 小尺寸超材料单胞的残余应力，能极大地保证成 表面质量。 形过程。 Nlayer n-1laver 图1B激光选区熔化加工过程及热扩散示意图 Fig 13 Schematic diagram of seiv laser melting proces and its themal (4)尺寸精度和粗糙度 航空航天、军工、汽车、医疗等领域具有广泛的应 隐身超材料构件部分是用于航空航天或其他 用前景。由于加工过程为离散型分层叠加成形，增 精密零部件，因此表面质量和精度是其重要的评价 材制造技术在成形制备复杂构件方面具有独特的 指标。很多零件都有表面粗糙度的要求，以避免在 优势，但是由干不均匀的温度梯度和阶梯效应的 使用中过早失效，现有的增材制造成形隐身超材料 在，使得在制备的超材料中出现原材料黏附、表面 表面均需要后处理才能达到应用的表面要求，而这 精度差等现象，限制了其产品的尺寸精度和使用功 些后处理步骤使得快速成形的优势有所降低并且 能。隐身功能结构制备工艺的联系，鲜有学者研 会增加成本。且超材料特殊性能的实现依赖于得 究清楚，若从根本上建立三者之间的物理模型，阐 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。 明工艺策略、结构设计与隐身功能调控机理，对塔 材制造成形隐身超材料研究具有重大意义。 5结束语 根据以上闻术我们提出增材制浩隐身招材 的研究分为三个趋势：(1)高精度：研发适用 超材料由于其特殊的物理性质和材料结构，在 帮材料的增材制造工艺，改善增材制造招材料的表 1994-2018 China Academic lournal Electronic publishing House All rights reserved http://www.cnki.net
（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 Staircase−shaped profile Bonded metal particles 100 μm (a) (b) Layer thickness Overlaps Laser metal depth Bonded metal particles 图 12 台阶效应示意图 （a）圆柱杆高倍 SEM 图像;（b）选择性激光熔化制造圆柱杆示意图[55] Fig. 12 Schematic of staircase-shaped profile （a）high magnification SEM image of cylindricalstrut;（b）schematic of cylindrical strut fabricated by selective laser melting Contour laser track Metallurgical porosity Contour laser track Bonded particles Metal plate Bonded particles Metal plate Bonded particles Bonded particles Molten pool Powder bed Inter−layer porosity N+1 layer N layer N−1 layer 图 13 激光选区熔化加工过程及热扩散示意图[57-59] Fig. 13 Schematic diagram of selective laser melting process and its thermal diffusion[57-59] 16 航 空 材 料 学 报 第 38 卷
第3期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 17 面精度、阶梯效应，减少后处理工序，拓宽其应用范 用：(2)模型化：探索隐身功能-结构设计-制备工艺 Letters.2014,26(2):111-114 三者之间的关系，建立三者之间的物理模型，对实 [11]CHAURASIYA D,GHOSH S,BHATTACHARYYA S 际应用提供指导，实现功能调控、结构设计与制造 er al.Compact multi-band polarisation-insensitive meta material absorber let Microwaves Antennas Propaga 工艺三者之间的平衡，从而实现复杂多功能三维隐 ion.2016.10(1):94-101 身结构的一体化制造：(3)智能化：未来隐身超材料 12]LANDY N I BINGHAM C M.TYLER T.et al Design 的发展将向着自适应智能化的方向发展，在外界环 theory.and measurement of a polarization insensitive ab 境的刺激下，外形可控变形，隐身频段、吸波强度可 sorber for terahertz imaging [Physical Review B:Con 调节，结合增材制造中的4D打印工艺，隐身超材料 densed Matter Materials Physics,2009.79(12):13. 有望成为智能隐身构件的关键材料。 「131用小永。尹丽仙李涤尘三维超材料制浩技术现状与 趋势1.光电工程，2017,44(1：69-76. 参考文献 (TIAN X Y.YIN L X.LI D C.Current situation and trend of fabrication technologies for three-dimensional [1]KARPOVE G.Structural metamaterials with Saint-Ven ant edge effect reversal []Acta Materialia.2017.123 metamaterials[.Opto-Electronic Engineering.2017 44(1)-69.761 245-254 [2]MOITRA P,YANG Y.ANDERSON Z.et al.Realiza [141 CHENG O.CUIT J JIANG WX.et al An omnidire tional electromagnetic ahsorher made of metamaterials tion of an all-dielectric zero-index optical metamaterial [J].Nature Photonics.2013.7(10):791-795 []New Journal of Physics.2010.12(6):063006.11. [3]LIU C,YANG B,JING L er al.Equivalent energy level [15]YIN M.TIAN XY.A broadband and om hybridization approach for high-performance metamateri- als design [Acta Materialia.2017.135:144-149 [4]ZHAO Y.SHI J.SUN L.et al.Alignment-free three-di- 21(16:19082.90.16. mensional optical metamaterials ]Advanced Materials. [16]PENDRY J B.SCHURIG D.SMITH D R.Contolling 2014.26(9):1439 2006,312(5781 [5】礼嵩明，蒋诗才，望咏林等.“超材料”结构吸波复合 780 材料技术研究们.材料工程，2017,45(11)上10-14 17]LEONHARDT U. onfor mapping[]Sci (LI S M.JIANG S C.WANG Y L.er al.Study on "metamaterial"structural absorbing composite techn JUSTICE B J,er al.Met logy [J].Journal of Materials Engineering.2017.45(11 cloak al m rowave frequencies 10-14.) 5801:977-8 [6】于相龙，周济.智能超材料研究与进展[.材料工程， [I9]，PENDRY ding under the carpet:a nev 2016.44(7):119-128. strategy for cloaking[.Physical Review Letters,2008. YU X L ZHOU J Research advance in smart metama :2039 terials[].Journal of Materials Engineering,2016, [20]YIN M.TIAN X Y.HAN H X,et al.Free-space carpet 44(7):119.128. cloak based on gradient index photonic crystals ir [7】张勇，张斌珍，段俊掉，等.超材料在完美吸波器中的应 metamaterial regimeLJ.Applied Physics Letters,2012 用[1.材料工程.2016.44(11)：120-128. 100(12):1780 ZHANG Y.ZHANG B Z.DUAN J P.et al.Applica [21 MA H F.CUI T J.Three-dimensional broadband ground. tion of metamaterial in perfect absorber].Joumal of plane cloak made of metamaterials [JJ.Nature Commu Materials Engineerine 2016 44(1):120-128) nications.2010.1(3):21. I&]lANDY NI SAIUYIGBE S MOCk Ietal perfect [LIU R.JI C,MOCK er al.Broadband ground-plane metamaterial absorber[].Physical Review Letters,2008 cloak[J1.Science.2009.323(5912):366 100(20):207402 [23]MILTON G W.CHERKAEV A V.Which elasticity 191 TANG B ZHU Y ZHoU X etal wide-anele polariza tensors are realizable?].Journal of Engineering Materi tion-indenendent broadband absorbers hased on concent- als&Technology.1995.117(4):483.493 ric multi-split ring arrays[].IEEE Photonics Journal [241 BUCKMANN T THIEL M KADIC Metal An elasto 2017pp99)-1.1 mechanical unfeelability cloak made of pentamode [10]WANG B X,WANG LL.WANG GZ,er al.Theoretical metamaterials[J].Nature Communications.2014 5(5) investigation of broadband and wide-angle terahertz 4130 1994-2018 China Acader Journal Electronic Publishing .All rights reserved http://www
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。 参考文献： KARPOVE G. Structural metamaterials with Saint-Venant edge effect reversal[J]. Acta Materialia, 2017, 123: 245-254. ［1］ MOITRA P, YANG Y, ANDERSON Z, et al. Realization of an all-dielectric zero-index optical metamaterial [J]. Nature Photonics, 2013, 7（10）: 791-795. ［2］ LIU C, YANG B, JING L, et al. Equivalent energy level hybridization approach for high-performance metamaterials design[J]. Acta Materialia, 2017, 135: 144-149. ［3］ ZHAO Y, SHI J, SUN L, et al. Alignment-free three-dimensional optical metamaterials[J]. Advanced Materials, 2014, 26（9）: 1439. ［4］ 礼嵩明, 蒋诗才, 望咏林, 等. “超材料”结构吸波复合 材料技术研究[J]. 材料工程, 2017, 45（11）: 10-14. （LI S M, JIANG S C, WANG Y L, et al. Study on “metamaterial” structural absorbing composite technology[J]. Journal of Materials Engineering, 2017, 45（11）: 10-14.） ［5］ 于相龙, 周济. 智能超材料研究与进展[J]. 材料工程, 2016, 44（7）: 119-128. （YU X L, ZHOU J. Research advance in smart metamaterials[J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44（7）: 119-128.） ［6］ 张勇, 张斌珍, 段俊萍, 等. 超材料在完美吸波器中的应 用[J]. 材料工程, 2016, 44（11）: 120-128. （ZHANG Y, ZHANG B Z, DUAN J P, et al. Application of metamaterial in perfect absorber[J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44（11）: 120-128.） ［7］ LANDY N I, SAJUYIGBE S, MOCK J J, et al. Perfect metamaterial absorber[J]. Physical Review Letters, 2008, 100（20）: 207402. ［8］ TANG B, ZHU Y, ZHOU X, et al. Wide-angle polarization-independent broadband absorbers based on concentric multi-split ring arrays[J]. IEEE Photonics Journal, 2017, PP（99）: 1-1. ［9］ WANG B X, WANG L L, WANG G Z, et al. Theoretical investigation of broadband and wide-angle terahertz ［10］ metamaterial absorber[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26（2）: 111-114. CHAURASIYA D, GHOSH S, BHATTACHARYYA S, et al. Compact multi-band polarisation-insensitive metamaterial absorber[J]. Iet Microwaves Antennas & Propagation, 2016, 10（1）: 94-101. ［11］ LANDY N I, BINGHAM C M, TYLER T, et al. Design, theory, and measurement of a polarization insensitive absorber for terahertz imaging[J]. Physical Review B: Condensed Matter & Materials Physics, 2009, 79（12）: 13. ［12］ 田小永, 尹丽仙, 李涤尘. 三维超材料制造技术现状与 趋势[J]. 光电工程, 2017, 44（1）: 69-76. （TIAN X Y, YIN L X, LI D C. Current situation and trend of fabrication technologies for three-dimensional metamaterials[J]. Opto-Electronic Engineering, 2017, 44（1）: 69-76.） ［13］ CHENG Q, CUI T J, JIANG W X, et al. An omnidirectional electromagnetic absorber made of metamaterials [J]. New Journal of Physics, 2010, 12（6）: 063006. 11. ［14］ YIN M, TIAN X Y, WU L L, et al. A broadband and omnidirectional electromagnetic wave concentrator with gradient woodpile structure[J]. Optics Express, 2013, 21（16）: 19082-90. 16. ［15］ PENDRY J B, SCHURIG D, SMITH D R. Controlling electromagnetic fields[J]. Science, 2006, 312（5781）: 1780. ［16］ LEONHARDT U. Optical conformal mapping[J]. Science, 2006, 312（5781）: 1777. ［17］ SCHURIG D, MOCK J J, JUSTICE B J, et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies[J]. Science, 2006, 314（5801）: 977-80. ［18］ LI J, PENDRY J B. Hiding under the carpet: a new strategy for cloaking[J]. Physical Review Letters, 2008, 101（20）: 203901. ［19］ YIN M, TIAN X Y, HAN H X, et al. Free-space carpetcloak based on gradient index photonic crystals in metamaterial regime[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100（12）: 1780. ［20］ MA H F, CUI T J. Three-dimensional broadband groundplane cloak made of metamaterials[J]. Nature Communications, 2010, 1（3）: 21. ［21］ LIU R, JI C, MOCK J J, et al. Broadband ground-plane cloak[J]. Science, 2009, 323（5912）: 366. ［22］ MILTON G W, CHERKAEV A V. Which elasticity tensors are realizable?[J]. Journal of Engineering Materials & Technology, 1995, 117（4）: 483-493. ［23］ BUCKMANN T, THIEL M, KADIC M, et al. An elastomechanical unfeelability cloak made of pentamode metamaterials[J]. Nature Communications, 2014, 5（5）: 4130. ［24］ 第 3 期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 17
18 航空材料学报 第38卷 [25]SCANDRETT C L,BOISVERT J E,HOWARTH T R ic measurements on thre-dimensional 12(5). coustc clo ing using layered pentam materials[ 2013,103(234 [40]SCANDRETT C L.BOISVERT J E,HOWARTH T R [26]NORRIS A N.NAGY A J.Acoustic metafluids made dband optmization of a pentamode-layered spher from three acoustic fluids[].Journal of the Acoustical al acoustic waveguide[J].Wave Motion,2011,48(6) Society of America,2010,128(4):1606 505-514 [27]GOKHALE N H,CIPOLLA J L,NORRIS A N.Special [41】张向东，陈红王磊，等圆住形分层五模材料声学隐身 transformations for pentamode acoustic cloaking[] 衣的理论与数值分析们.物理学报，2015,64(13： Joumal of the Acoustical Society of America,2012. 198-205 132(4):2932-2941. (ZHANG X D,CHEN H,WANG L,et al.Theoretical [8]NORRIS A N.Acoustic eloaking theory[].Proceedings and numerical analvsis of lavered cylindricalpentamode Mathematical Physical&Engineering Sciences,2008, acoustic cloak[].Acta Physica Sinica.2015.64(13) 464(2097):2411-2434. 198-205.) [9]NORRIS A N.Acoustic metafluids[].Joumal of the [42]LAYMAN C N,NAIFY CJ,MARTIN T P,er al.Highly Acoustical Society of America.2009.125(2):839. anisotropic elements for acoustic pentamode applications [30]TIAN Y,WEI Q.CHENG Y.er al.Broadband manipula ]Physical Review Letters,013,111():024302. tion of acoustic wavefronts by pentamode metasurface [431 ZHAO A.ZHAOZ.ZHANG X.et al.Design and experi J].Applied Physies Letters,2015,107(2):333-113. mental verification of a water-like pentamode material [31]BUCKMANN T.STENGER N.KADIC M.e aL []Applied Physics Letters.2017.110(1):011907. Tailored 3D mechanical metamaterials made by dip-in [44]CAI X,WANG L ZHAO Z er al.The mechanical and direct-laser-writing optical lithography [J].Advanced acoustic properties of two-dimensional pentamode Materials20122420}.2710 netamaterials with different structural na [32 KADIC M,BUCKMANN T,STENGER N.On the prac Apnlied Physics Letters 2016 109013):T91-113 ticability of pentamode mechanical metamaterials] L451 HEDAYATIR LEEFLANG A M ZADPOOR AA Ad Applicd Physics Letters.2012.100(19):1780. ed metallic。 [33]MARTIN A.KADIC M.SCHITTNY R.et al.Phon als[Applied Physics Letters. 017.110(9:4782. hand structur 4810 terials[].Physical Review B:Cond ed Matter,2012 [46]梅中磊，张黎，崔铁军、电磁超材料研究进展[].科技 86(15:4172418 导报.2016.34(18)：27-39 34]KADIC M.BUCKMANN T,SCHITTNY R,er al.On (MEI Z L.ZHANG L.CUI T J.Recent advance of three- erials[n Sei nology Review,16. mal of Phy ics,2013,15(2 three-di 10(6:063 2014,16( )上0330 [48]NORRIS A N Joumal of the ANN T,THIEL M,KADIC M,et al.An elast rica,2008,125(2:839 mechanical unfeelability cloak made of pentamod [49 DING F,CUI Y X,GE X C,et al.Ultra-broadband mi metamaterials[).Nature Communications,2014,5(5) crowave m al absorber.Applied Physics Let 4130 crs,2012,100(10 6= [37]KADIC M.BUCKMANN T,SCHITTNY R,er al. 50 XIAO Q J,WANG L.WU T,er al.Research on layered Metamaterials beyond electromagnetism [J].Reports on design of ring-shaped acoustic cloaking using bimode Progress in Physics Physical Society,2013,76(12): metamaterial[J].Applied Mechanics and Materials 126501. 2014,687-691:4399-4404 [38 MEJICA G F,LANTADA A D.Comparative study of [51 ZHOU F.BAO Y.CAO W,et al.Hiding a realistic ob potential pentamodal metamaterials inspired by Bravais ject using a broadband terahertz invisibility cloak.Sci lattices[].Smart Materials&Structures,2013.22(11): entific Reports.2011.1(4):78. 1500-1503. [521 URZHUMOV Y.LANDY N.DRISCOLL T.et al.Thir [39]SCHITTNY R,BUCKMANN T,KADIC M,er al.Elast- low-loss dielectric coatings for free-space cloaking [ 21994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved
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第3期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 19 0 ptics Letters,.2013,38(10上1606-8. terials,.2017,37(3):61-67.》 [53 ZHOU D.HUANG X.DU Z.Analysis and design of 58 YAN C.HAO L.HUSSEIN A.et al.Evaluations of cel multilayered broadband radar absorbing metamaterial us- lular lattice structures manufactured using selective laser ing the 3-D printing technology-based method[.IEEE meltinel[].International Journal of Machine Tools Antennas Wireless Propagation Letters,2017,16:133- Manufacture.2012.62(1):32.38 136. [59]刘锦辉，刘邦涛，谢雪冬，等.高功率光纤激光熔化成形 [4]AHN D.KIM H,LEE S.Surface roughness prediction us- N718的工艺及性能[U刀.航空材料学报，2015.35(4)： ing measured data and interpolation in lavered manufac 1.7 (LIU J H.LIU BT.XIE X D.eral Process and prope 00030031.664.671 ties of IN718 formed by high-power fiber [55]YAN C.HAOL HUSSEIN A.Advanced light stainless steel cellula ures I melting Materials 【0]目春洋，王王东源，等澈光熔覆制备TC4基复合药 De 型罩材料的力学性能1.航空材料学报201,373 [56]FORMANOIR C D.S ARD M,DENDIEVEL R,er a 68-7 Improving the mechanical efficiency of electron bea (YAN C Y.WANGL.WANG DY.er al.Mechanical melted titanium lattice structures by chemical etching] properties of TC4 matrix composites prepared by lase Additive Manufacturing,06,11:71-76. cladding[J].Journal of Aeronautical Materials,2017. [57]刘彦涛，张永忠，陈以强，等.激光培化沉积TA15 37(3):68.72.) Ti,ANb合金的组织与力学性能U】航空材料学报2017， [61 1 BAEL S V.KERCKHOFS G.MOESEN M.et al.Micro 37(3):61-67 CT-based improvement of geometrical and mechanical (LIU Y T,ZHANG YZ,CHEN Y Q,er al.Microstruc controllability of selective laser melted Ti6Al4V porous ture and mechanical properties of laser melting deposited structures[]Materials Science Engineering:A.2011 TA15+Ti2AINb alloys[].Joumnal of Aeronautical Ma- 528(24):7423-7431 Additive Manufacture of Metamaterials:a Review ZHANG Lei,ZHUO Linrong.TANG Guiping.SONG Bo,SHI Yusheng (State Key Laboratory of Materials Proesing and D Moul Huazhong University f and Technology. Wuhan430074,China Abstrae:Asa novel structural material proposed by topology optimization.metamaterials present unusual properties.such as negative Poisson's ratio,negative indexofrefractionand soon Metamaterials have potential application in the aspect of wav controlling and stealth.Therefore,it has aroused great interests in the world.Additive manufacturing technology,also called 3D printing technology,is suitable to make structures with complicated geometries.It is a high geometric freedom to fabricate stealth structure and the theory of stealth are both mentioned based on the basic theory of metamaterial.Moreover,a variety of additive manufacturing processes for the preparation of stealth metamaterials.such as light curing method.fusion deposition method.laser selective sintering/melting method are described in detail in the present paper.Problems.for instance.the staircase effect.raw material,dimensional accuracy and the fabrication manufacturing metamaterils are discussed inorder to provide references for the follow-up researchers. Key words:metamaterial,structural design;additive function (贡任编辑：徐永祥)》 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserve http://www.cnki.net
Optics Letters, 2013, 38（10）: 1606-8. ZHOU D, HUANG X, DU Z. Analysis and design of multilayered broadband radar absorbing metamaterial using the 3-D printing technology-based method[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 133- 136. ［53］ AHN D, KIM H, LEE S. Surface roughness prediction using measured data and interpolation in layered manufacturing[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209（2）: 664-671. ［54］ YAN C, HAO L, HUSSEIN A, et al. Advanced lightweight 316L stainless steel cellular lattice structures fabricated via selective laser melting[J]. Materials & Design, 2014, 55（6）: 533-541. ［55］ FORMANOIR C D, SUARD M, DENDIEVEL R, et al. Improving the mechanical efficiency of electron beam melted titanium lattice structures by chemical etching[J]. Additive Manufacturing, 2016, 11: 71-76. ［56］ 刘彦涛, 张永忠, 陈以强, 等. 激光熔化沉积 TA15+ Ti2AlNb 合金的组织与力学性能[J].航空材料学报, 2017, 37（3）: 61-67. （LIU Y T, ZHANG Y Z, CHEN Y Q, et al. Microstructure and mechanical properties of laser melting deposited TA15+Ti2AlNb alloys[J]. Journal of Aeronautical Ma- ［57］ terials, 2017, 37（3）: 61-67.） YAN C, HAO L, HUSSEIN A, et al. Evaluations of cellular lattice structures manufactured using selective laser melting[J[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2012, 62（1）: 32-38. ［58］ 刘锦辉, 刘邦涛, 谢雪冬, 等. 高功率光纤激光熔化成形 IN718 的工艺及性能[J]. 航空材料学报, 2015, 35（4）: 1-7. （LIU J H, LIU B T, XIE X D, et al. Process and properties of IN718 formed by high-power fiber laser melting[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2015, 35（4）: 1-7.） ［59］ 闫春洋, 王琳, 王东源, 等. 激光熔覆制备 TC4 基复合药 型罩材料的力学性能[J]. 航空材料学报, 2017, 37（3）: 68-72. （YAN C Y, WANG L, WANG D Y, et al. Mechanical properties of TC4 matrix composites prepared by laser cladding[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2017, 37（3）: 68-72.） ［60］ BAEL S V, KERCKHOFS G, MOESEN M, et al. MicroCT-based improvement of geometrical and mechanical controllability of selective laser melted Ti6Al4V porous structures[J]. Materials Science & Engineering: A, 2011, 528（24）: 7423-7431. ［61］ Additive Manufacture of Metamaterials: a Review ZHANG Lei, ZHUO Linrong, TANG Guiping, SONG Bo, SHI Yusheng （State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China） Abstract: As a novel structural material proposed by topology optimization, metamaterials present unusual properties, such as negative Poisson’s ratio, negative indexofrefraction and so on. Metamaterials have potential application in the aspect of wave controlling and stealth. Therefore, it has aroused great interests in the world. Additive manufacturing technology, also called 3D printing technology, is suitable to make structures with complicated geometries. It is a high geometric freedom to fabricate stealth metamaterials via additive manufacturing technology, which provides technical support for the wide applications. The design of structure and the theory of stealth are both mentioned based on the basic theory of metamaterial. Moreover, a variety of additive manufacturing processes for the preparation of stealth metamaterials, such as light curing method, fusion deposition method, laser selective sintering / melting method are described in detail in the present paper. Problems, for instance, the staircase effect, raw material adhesion, thermal diffusivity, dimensional accuracy and roughness occurred in the fabrication of additive manufacturing metamaterials are discussed in order to provide references for the follow-up researchers. Key words: metamaterial; structural design; additive manufacturing; stealth function （责任编辑：徐永祥） 第 3 期 增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展 19