西安交通大學(xué)李滌塵、吳玲玲：3D打印賦能多功能超材料 | AMF論文推薦

引用論文

Lingling Wu, Jiacheng Xue, Xiaoyong Tian, Tengfei Liu, Dichen Li. 3D-printed Metamaterials with Versatile Functionalities. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023: 100091. https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100091.

文章鏈接：

1研究現(xiàn)狀

超材料是人工制造的功能結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)單元的構(gòu)型以展現(xiàn)在常規(guī)材料中自然不存在的特性。它們最初由周期性的元胞構(gòu)成，與電磁波相互作用從而操控波的傳輸行為，展現(xiàn)出諸如電磁隱形、負(fù)折射率、光束偏轉(zhuǎn)等非凡的現(xiàn)象。

近年來(lái)，超材料的概念已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)3D打印技術(shù)提出并制造了紛繁多樣功能的超材料，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)與電磁、熱、聲以及機(jī)械能之間的相互作用。隨著超材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加和組分材料種類的增多，先進(jìn)增材制造技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)具有非凡性能和多功能融合超材料的強(qiáng)大工具。

2研究難點(diǎn)或瓶頸

本文回顧了3D打印超材料在不同領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)的非凡性能，分析了結(jié)構(gòu)、功能和制造過(guò)程之間的關(guān)系，介紹了通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多種功能超材料的最新研究，并為3D打印超材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)提供了分析和討論。

1. 介紹了機(jī)械超材料的最新發(fā)展，包括用于能量吸收、振動(dòng)隔離、機(jī)械存儲(chǔ)、機(jī)械邏輯門等方面的超材料。

2. 分析了具有熱聚焦、隱形、旋轉(zhuǎn)功能等熱超材料以及它們的應(yīng)用。

3. 分別回顧了一些已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)用于控制電磁/聲波傳播的典型電磁和聲學(xué)超材料。

4. 對(duì)3D打印超材料的研究趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并對(duì)隨著高度發(fā)展的增材制造技術(shù)而涌現(xiàn)出的新功能做出了展望。

雖然3D打印超材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些需要解決的限制和挑戰(zhàn)。例如，并非所有材料都適合于3D打印。打印工藝與材料特性之間的兼容性，不同材料一體化成形對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜超材料功能也至關(guān)重要。

另一個(gè)限制是設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。超材料的多功能設(shè)計(jì)可能需要大量計(jì)算，需要先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具。快速發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)和生成設(shè)計(jì)方法有望可以克服這個(gè)挑戰(zhàn)，并在一定程度上自動(dòng)化超材料的設(shè)計(jì)過(guò)程。

最后，3D打印的制造速度也限制了大規(guī)模應(yīng)用中超材料的制造。因此，解決這些挑戰(zhàn)對(duì)于發(fā)掘多功能超材料的應(yīng)用潛力至關(guān)重要。這些瓶頸涉及材料科學(xué)、機(jī)械工程、人工智能等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。

3展望（發(fā)展趨勢(shì)）

3D打印超材料的發(fā)展將聚焦于在單一結(jié)構(gòu)內(nèi)集成多種功能，即多功能融合超材料。例如，具有機(jī)械可變性特征的聲學(xué)/電磁超材料可以用于實(shí)現(xiàn)可機(jī)械編程的聲學(xué)/電磁帶隙特性。

3D打印超材料的發(fā)展有望改變諸多行業(yè)和領(lǐng)域。隨著研究人員不斷探索新的功能和應(yīng)用，以及增材制造技術(shù)的飛速進(jìn)步，3D打印超材料的未來(lái)將在高精度、高效成形、多功能集成等方面取得顯著進(jìn)展。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

團(tuán)隊(duì)帶頭人

李滌塵，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事增材制造技術(shù)的研究，包括增材制造（3D打印）技術(shù)、生物制造技術(shù)、增材制造（3D打印）應(yīng)用技術(shù)等。獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2014年），國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2000年），省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，首屆“中國(guó)好設(shè)計(jì)”金獎(jiǎng)（2015年），首屆“創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先”獎(jiǎng)（2017年）。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利60余項(xiàng)，發(fā)表400余篇論文。

主創(chuàng)作者

吳玲玲，女，35歲，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授/特聘研究員，博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)青年拔尖人才計(jì)劃入選者，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)第三屆委員會(huì)委員。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械超材料智能設(shè)計(jì)及3D打印，針對(duì)超材料設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)、優(yōu)化效率低等關(guān)鍵瓶頸，提出了深度融合制造約束的逆向設(shè)計(jì)方法，推動(dòng)機(jī)械超材料由概念驗(yàn)證走向工程化落地。共發(fā)表論文60余篇，共計(jì)被引用4000余次，其中以第一/通訊作者身份在Advanced Functional Materials, Materials Today等國(guó)際著名期刊上發(fā)表論文25篇，授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目5項(xiàng)，入選中國(guó)協(xié)青年人才托舉工程，入選首屆北京交叉科學(xué)學(xué)會(huì)“學(xué)術(shù)新秀”，入選2025年度全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（World’s Top 2% Scientists）。擔(dān)任國(guó)際期刊Additive Manufacturing Frontiers青年編委，作為副主編編寫《增材制造技術(shù)》研究生教材1部。

田小永，西安交通大學(xué)青年拔尖人才特聘教授，王寬誠(chéng)青年學(xué)者、陜西省青年科技新星。其對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝與裝備的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)應(yīng)用于我國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn)，入選2020年“科創(chuàng)中國(guó)”榜單-先導(dǎo)技術(shù)，獲得2021年度制造類SAMPE中國(guó)創(chuàng)新獎(jiǎng)、2021年陜西高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等，擔(dān)任PIAM期刊副主編、AMF期刊副主編、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)工作組召集人。

課題組在研項(xiàng)目

近年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] Sen Yan, Wenlong Liu, Xiaojun Tan, Zhiqiang Meng, Weijia Luo, Hang Jin, Yongzheng Wen, Jingbo Sun*,Lingling Wu*, Ji Zhou*. Bio-inspired mechanical metamaterial with ultrahigh load-bearing capacity for energy dissipation[J]. Materials Today, 2024, 77: 11–18.

[2]Lingling Wu*, Jawad Ahmad Muhammad, Xiaochang Xing, Xin Dai, Tengfei Liu, Xiaoyong Tian, Dichen Li. 3D printed continuous copper fibre reinforced composite for thermal metamaterials[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2026, 21(1): e2654243.

[3]Lingling Wu, Zirui Zhai, Xinguang Zhao, Xiaoyong Tian, Dichen Li, Qianxuan Wang, Weiqi Lin, Hanqing Jiang*. Modular design for acoustic metamaterials: Low-frequency noise attenuation[J]. Advanced Functional Materials, 2022, 32(13): 2105712.

[4]Lingling Wu, Yong Wang, Kuochih Chuang, Fugen Wu, Qianxuan Wang, Weiqi Lin, Hanqing Jiang*. A brief review of dynamic mechanical metamaterials for mechanical energy manipulation[J]. Materials Today, 2020, 44: 168–193.

[5]Lingling Wu, Yuyang Lu, Penghui Li, Yong Wang, Jiacheng Xue, Xiaoyong Tian, Shenhao Ge, Xiaowen Li, Zirui Zhai, Junqiang Lu, Xiaoli Lu, Dichen Li, Hanqing Jiang*. Mechanical metamaterials for handwritten digits recognition[J]. Advanced Science, 2023: 2308137.

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對(duì)： 金 程

審 核： 張 彤

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