當(dāng)前，超材料制造工藝主要有印刷電路板(PCB)、光刻、電子束刻蝕等，然而這些工藝在3D超材料結(jié)構(gòu)制造方面普遍存在步驟繁瑣、成本高、耗時長等問題，不易與曲面共形，難以滿足實際應(yīng)用條件。3D、曲面共形一體化超材料的制造仍然是一項重大挑戰(zhàn)。

近日，廈門大學(xué)航空航天學(xué)院孫道恒教授課題組基于面投影微立體光刻(PµSL)3D打印技術(shù)（microArch S240，摩方精密）結(jié)合液態(tài)金屬填充方法制備了3D正交開口諧振環(huán)及曲面共形超材料結(jié)構(gòu)，其嵌入式結(jié)構(gòu)特征可有效保護(hù)金屬諧振層免受外部環(huán)境影響，且具有宏-微、結(jié)構(gòu)-功能一體化成型的優(yōu)勢。

圖1 3D打印嵌入式超材料制備流程

圖2 正交開口諧振環(huán)超材料結(jié)構(gòu)及尺寸：(a) 平面型；(b) 半球形仿復(fù)眼超材料 (單元尺寸為1.25mm)

工藝流程如圖1所示，首先使用精度為10μm的3D打印機(jī)（microArch S240，摩方精密）制備帶有超材料微結(jié)構(gòu)空腔的模型，再利用液態(tài)金屬真空填充方法制備超材料金屬微結(jié)構(gòu)。超材料結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，開口諧振環(huán)截面尺寸為0.1mm×0.2mm，頂部開口尺寸為0.3mm，諧振環(huán)外徑為1mm。

圖3 液態(tài)金屬填充及超材料性能測試：(a-b) 平面型及仿生復(fù)眼曲面共形超材料液態(tài)金屬填充前與填充后；(c-d) 超材料傳輸性能測試

圖3(a)為3D打印的3D正交開口諧振環(huán)、仿復(fù)眼曲面共形超材料及局部放大圖，圖3(b)為填充液態(tài)金屬后的超材料結(jié)構(gòu)及其局部放大。在液態(tài)金屬填充滿超材料結(jié)構(gòu)空腔后，采用光敏樹脂涂覆在液態(tài)金屬填充入口處并用紫外燈照射固化以密封入口。圖3(c-d)為平面型及曲面共形超材料測試結(jié)果。

該研究將3D打印的靈活性與液態(tài)金屬的易流動、易填充性相結(jié)合，使超材料制造不再受限于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，開辟了一類復(fù)雜超材料結(jié)構(gòu)制造新方法。為超材料的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、功能創(chuàng)新及應(yīng)用創(chuàng)新奠定工藝基礎(chǔ)，拓展了共形超材料的應(yīng)用范圍，如3D光學(xué)/電磁隱身衣、智能蒙皮、超透鏡等。

該成果以題為“3D Printed Embedded Metamaterials”發(fā)表于國際期刊《Small》(IF = 13.281)上，論文通訊作者為廈門大學(xué)航空航天學(xué)院孫道恒教授和陳沁楠助理教授，第一作者為廈門大學(xué)航空航天學(xué)院博士生張昆鵬。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(51975498、U1505243、U2005214)和深圳市科技創(chuàng)新委員會技術(shù)攻關(guān)面上項目(JSGG20201102165202007)的支持與資助。

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