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