【科技动向】美国杜克大学的增材制造技术为三维电磁超材料研制奠定基础

在2017年5月出版的美国《应用物理快报》，美国杜克大学的研究人员发表了一篇题为《通过熔融沉积3D打印高导电性铜基丝制造微波超材料》（Microwave metamaterials made by fused deposition 3D printing of a highly conductive copper-based filament）的论文。2017年5月4日，杜克大学官网对该成果进行了介绍，表明该校研究人员在美海军研究办公室的多学科大学研究计划资助（合同号N00014-13-1-0631）下，利用适于增材制造技术（俗称3D打印）的导电材料，以普通的3D打印设备制造出了有效的三维电磁超材料。该校的相关科研人员认为：这项技术可以为诸如无线网络、蓝牙、无线传感和通信设备等无线射频应用的快速设计和原型设计带来一场革命。

超材料是由许多单独的特征结构单元组成的合成材料，具备自然界中材料不存在的特性。当电磁波穿过超材料时，波就会被每一个特征结构单元所操纵，以决定波的整体行为。定制的超材料可实现诸如完全吸收特定波长的光，或将电磁波聚焦在多个区域并向后弯曲光线等特性。然而，先前的研究努力都局限在二维超材料电路板上，导致超材料的能力和效率受到限制。

3D打印的超材料结构示意图，示意了材料单元体如何像乐高积木一样组合，从而创建出电磁超材料（美国杜克大学图片）

杜克大学电气和计算机工程学院的史蒂夫·库默（Steve Cummer）教授表示，人们可以想象、设计许多复杂的三维超材料结构，以证明它们是可行的。复杂设计的挑战便是制造过程。在普通的3D打印机上，任何人都可以在几小时内构建和测试一个潜在的原型，而且成本相对较低。

用电气灯丝和相对低成本的3D打印机，可在约20分钟内制造出1个超材料单元体。这些单元体都针对与电磁波以某种方式交互作用定制，通过把它们组合在一起，研究人员就能创造出能够强有力调制电磁波辐射的结构（美国他杜克大学图片）

在3D打印电磁超材料成为现实之前，找到可在商业3D打印机上打印的完美的导电材料起着至关重要的作用。通常情况下，商业3D打印机使用塑料，而塑料导电性很差。一些商业上可行的解决方案是将金属和塑料混合在一起，但是没有一种导电性足够产生可行的电磁超材料。尽管金属3D打印机已经上市，但其成本几乎为100万美元，而且设备巨大。

实验和仿真显示了3D打印的超材料对电磁波的作用比对应的二维超材料好14倍（美国杜克大学图片）

杜克大学化学的团队非常擅长制造导电材料，他们看到了这一差距，并意识到有一个巨大的未开发的空间。研究人员开发出一种可3D打印的材料,导电性是目前市场上其他3D打印材料的100倍。这种材料目前正由Multi3D公司（由研发人员创建）冠以“电气”（Electrifi）品牌对外销售。尽管它的导电性与常规铜有一定差距，研究人员认为它的导电性足够开发3D打印电磁超材料。测试结果表明，3D打印出的超材料立方体与电磁波的作用比二维对应超材料好14倍。

本篇动向的提供者胡燕萍女士已为《空天防务观察》提供11篇专栏文章，如下表：

序号	篇名	发表日期 （2015-2016）
1		2015年1月26日
2		2月6日
3		3月23日
4		3月25日
5		3月27日
6		2016年3月16日
7		3月21日
8		3月25日
9		6月20日
10		12月16日
11	2016年度国外航空材料技术重大进展	2017年3月3日

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（中国航空工业发展研究中心 胡燕萍）

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