西安交大利用超声实现超材料光固化打印

　　就在2017新年伊始，哈佛John A.保尔森工程和应用科学学院和哈佛Wyss威斯生物启发工程研究所的研究人员在哈佛大学通过多材料3D打印技术开发出可重构超材料的基础设计框架软件。

　　国内在超材料方面也涌现出积极的研究，活跃的科研单位有东南大学，中国人民解放军空军工程大学，西安交通大学，北京交通大学等。一起来了解西安交大如何将液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料。

　　超声波与超材料

　　超材料由于具有天然材料不具备的超常物理性质，从而摆脱了传统材料诸多表观自然规律的限制，极大拓展了电磁学、光学、声学等学科的研究范畴，在航天、航空、电子、通信、生物医学领域里展现了巨大的潜在价值和应用前景。超材料本质上为人工复合结构或复合材料，其通过在亚波长的材料特征尺度上进行有序结构设计，实现赋予的特定功能。超材料一般由有序排列的多个超材料单元组成，而每个超材料单元包括非金属基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的人造微结构，具有不同于基板本身的电、磁、力学特性。因此，整个超材料在宏观上对电场、磁场及声场呈现出特殊的响应特性。

　　超声波作为一种机械波，具有动量和角动量，通过对声场中物体的散射效应，产生作用于其上的辐射力。微颗粒或者微构件在辐射力场的作用下，稳定的俘获在合成声场中的声势阱即声压节点位置，近年来超声波的这种力学特性在液体环境中微颗粒的俘获、聚集及分拣方面已证实了较好的应用潜力。另外，相控阵超声技术的突飞猛进为合成具有任意声压空间分布的声场提供了便捷手段。

　　西安交大通过相控阵超声阵列在液态光敏树脂中营造空间可控声场，实现光固化制造环境中规则排布微结构的非接触夹持，从而形成既定拓扑结构，解决现有基于立体光固化成型的3D打印设备无法实现两种不同材质制备同一结构的问题。根据计算机仿真数据得到的微结构空间排布生成目标声场参数及其对应的相控阵超声控制参数，实现光敏树脂中既定拓扑结构的非接触式稳定加持。

　　固体微粒为金属微球、高分子微球或碳纳米管，其特征尺寸介于20-100微米。固体微粒分散于液态光敏树脂前进行表面活性处理，使其易于在液态光敏树脂中分散，固体颗粒在液态光敏树脂中的体积分数不超过1％。

　　超声波用于基于光敏树脂固化工艺用于复合材料的制造在国际上不乏尝试者。英国Bristol大学通过超声波来定位数以百万计的微小增强纤维，形成一个微观的加固框架，超声波的作用与激光束同时作用，通过超声波用来诱导材料的微观结构排列，通过激光束用来固化环氧树脂，从而制造出纤维增强复合材料。