當前，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，廈門大學航空航天學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（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/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航空航天學院孫道恒教授和陳沁楠助理教授，第一作者為廈門大學航空航天學院博士生張昆鵬。該研究得到了國家自然科學基金(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