2017年第04期工业技术创新Industrial Technology Innovation
图3 比强度比刚度超材料
（a）门栓
（b）夹钳
一步在更小尺度上实现纹理可重构，还可以用于改善
物体表面的摩擦和润滑特性。除了机械响应纹理可重
构超材料之外，未来还可以研究热力学或电磁学响应
的纹理可重构超材料。
2 结构运动一体化超材料
通常情况下，不同结构和功能零部件的通过特定
的运动副（直线副、球面副、转动副等）实现相对运
动。然而，2016年来自德国波茨坦的哈索—普拉特纳
研究所（Hasso Plattner Institute）的研究人员[6]设计出了 结构、运动一体化的超材料。他们通过设计具有特定
图案的网格，使得该材料在没有任何活动零件的情况
下也能够进行定向重复运动。图2a和图2b分别为他们设
计并3D打印制作的门栓、夹钳。
理工学院的研究团队于2014年成功研制出超轻超硬的
超材料[7]。他们研制的像气凝胶一样既轻又疏松的材
料，通过微光固化3D打印制作，其机械刚度媲美实心
橡胶，并且比同类密度物质强400倍。这些样本可以轻
松承受超过160 000倍自身重量的负荷。如图3所示，他
们已在陶瓷、金属、聚合物，以及聚合物—陶瓷混合物
上对这种打印方法进行了测试，均得出了类似的结果。
上述超轻超强材料的超强性质主要归功于特殊的
几何结构设计，这种微结构元件都被设计成在约束和
载荷下不弯曲。该方法在任何需要轻质、高硬、超强
材料的地方都很有用，在不远的将来有望应用到飞机
零部件、汽车和航天领域，还可以用于便携设备中的
电池，这也是亟需减轻重量的地方。
4 热力学超材料
固体材料通常会随温度变化产生膨胀或收缩行为，
床铰
然而材料的热胀冷缩会降低精密部件的结构稳定性和安
全可靠性，甚至破坏材料的功能特性。在光学仪器、微
半导体模块电子器件、航空航天等高技术领域，迫切需要形状和尺
寸不随温度变化的结构，以保证其构件具有高的尺寸稳
x射线探测器
定性、精密性和长的使用寿命。经过不断研究，尽管科
学家们陆续报道了各种低热膨胀材料以及负热膨胀材
料，比如钨酸锆（ZrW2O8）系列负热膨胀材料、锂霞石
（LiAlSiO4）、磷酸锆钠（NaZr2P3O12）等，但是由于反
常热膨胀材料的热力学性质研究相对较少，从而给合成
制备热膨胀系数可调材料带来困难。2016年10月，美国
劳伦斯利弗莫尔国家实验室和麻省理工学院的研究团队
发布研究成果，首次利用3D打印技术制备出受热收缩的
超材料结构[8]，如图4所示。这个新型结构在降温后还可
恢复之前体积，能反复使用，适用于制作温度变化较大
环境中所需要的精密操作部件，如微芯片和高精光学仪
器等。
这种负膨胀系数超材料微晶结构的设计灵感来自
于具有八面体原子结构耦合运动机制的负膨胀系数材显然，Ion等人设计的结构运动一体化超材料进一
步扩大了超材料的内涵，超材料不仅是材料或结构，
也可以是具有运动功能的机构。他们通过对剪切运动
网格的设计和引导，形成基本运动和复合运动，最终
制作出简单功能的机械装置。而且这个思路，可以减
少实现免装配。未来还可以进一步地设计更加丰富的
功能，尤其是能够实现逻辑运动的功能。
3 比强度比刚度超材料
材料的抗拉强度与材料表观密度之比叫做比强
度，而比刚度是指材料的弹性模量与其密度的比值。
比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的
重要参数，如在太空中，每增加一点重量都会大大增
可用性评估加发射成本。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和麻省
胡福文，等：超材料3D 打印制造技术研究综述
图4 负膨胀系数超材料
图5 双材料拉胀负泊松比超材料料。该立体星型包含横梁和框架两个部分，横梁的材 质是掺铜纳米颗粒的树脂，框架的材质是树脂，受热
时柔软的树脂先伸长，直到加固的横梁也被拉动，使
黑方糖得连接点处向内拉伸，带动整个晶格结构向内拉伸，
从而表现出独有的热收缩特性。该研究成果无疑为通
过设计精巧结构和选择匹配材料组分而创造出负膨胀系数材料开辟了一个崭新道路。5 负泊松比超材料一般常见弹性固体的泊松比介于 0.3~0.5之间，即材料在纵向拉伸时横向发生收缩。而负泊松比效应是指受纵向拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受纵向压缩时，材料的横向反而发生收缩。负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质, 在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势。首先，负泊松
比效应可以使材料的力学性能，包括剪切模量、断裂韧性、热冲击强度、压痕阻力等得到增强。其次，由于材料的泊松比影响到应力波的传输和反射、应力的消除和在裂纹附近的应力分布, 所以负泊松比材料适合制造紧固件或安全带，在受外力时，材料的横向膨胀可以抵消外力的作用，从而提高这些部件的抗负荷能力。进一步，如果将负泊松比材料用于医学领域，比如负泊松比人造血管、负泊松比脉动扩张器，可以很大程度上缓解由于动脉硬化、血栓等疾病对人体造成的危险[9]。负泊松比泡沫还具有特殊的弹性和对声音的吸收能力，可以用于制造隔音材料。负泊松比材料在自然界中就存在，例如黄铁矿、砷、镉和奶牛乳头部分的皮肤就是天然的负泊松比材料，但是负泊松比材料作为一种可设计的结构材料，直到1987年美国爱荷华大学的Lakes 首次通过对普通聚合物泡沫的处理得到具有特
殊微观结构的负泊松比材料，这一领域内的研究才开始蓬勃发展起来。目前负泊松比材料的制备方法主要分为两类：一是通过对正泊松比材料的变形以及合理铺设方式获得负泊松比效应；二是通过创新材料的构筑方法和技术直接制备负
泊松比材料。目前的制备技术仅限于实验室的研究，且材料与结构只能在理想状态下进行制备，与实际工
程材料结构的制造有很大差距。然而3D 打印技术的应
用无疑对缩小这种差距提供了前所未有的助力。美国
佐治亚理工学院的Wang K 等研究人员设计了一种拉胀
超材料[10]，如图5所示。梁臂部分选用刚性材料，梁臂
铰接处选用弹性材料，在Objet Connex350 3D 打印机上
制作出实物。
陶瓷接线柱德国马克斯·普朗克研究所的Mark 等研究人员利用正泊松比材料和负泊松比超材料在受拉情况下的
相反的收缩和膨胀特性，设计了一个概念型管道机器人[11]。该3D 打印的机器人在中部气动装置的伸缩驱动下，上部的负泊松比超材料部分和下部的正泊松比材料部分交替运动或锁定，从而实现机器人的前进运动。
6 电磁学超材料电磁学超材料是一种介电常数与磁导率可为正数、零或负数的，具有负折射、逆多普勒、逆Cerenkov 辐射和消逝波放大等效应的人工复合材料。正是由于电磁超材料具有传统的天然材料不同的电磁介质，许多现实应用就此产生，例如，负折射率材料、人造磁性、完美透镜、隐身衣等。电磁超材料通常由基本谐振单元（如电谐振器、磁谐振器）构成，通过对单元谐振特性的设计可以在特定频段对超材料的等效电磁参数进行有效控制。
西安交通大学田小永等采用基于渐变折射率超材料结构设计了“地毯式隐形罩”、“电磁黑洞”等器
件，以光固化3D 打印技术为制造手段，光敏树脂为基体材料，制作出了这些复杂结构的三维电磁器件[12]。如图6所示，“地毯式隐身罩”的电磁波传输作用是改变因中间凸起部分对入射电磁波产生的散射现象，从而隐藏电磁波对突起内部物体的探测作用。试验结果表明，通过改变单元结构特征参数，实现单胞等效介电常数和折射率的可控设计，可完成电磁波的可控传播，实现电磁隐形。
7 结论与展望超自然特性使得超材料的应用前景十分广泛，其
图6 3D 打印制造的电磁波“地毯式隐身罩”
应用范围覆盖了工业、军事、生活等各个方面。特别是电磁学超材料，对未来的通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术必将产生深远影响。超材料将成为一种前途不可限量的新材料，但是目前距离大规模的产业化还有一定距离，还有许多难题亟待克服，这也是未来超材料研究的主要方向。
首先，超材料的设计理论需要更深入、更系统
胡福文，等：超材料3D打印制造技术研究综述Reviews on Metamaterials Manufacturing via 3D Printing
HU F u-wen, C HENG Jia-jian
(Sc ho o l o f Me c hani ca l and Mat e ri al s Enginee ri ng, N or th C hi na Uni versity of Technology, B eijing, 100144, Chin a)
Abstract: Metamaterials get rid of the constraints of natural material properties on human creation activities from the point of view of materials design science. 3D printing technology has lifted the bounds of traditional manufacturing processes on human creation activities from the perspective of direct manufacturing. Cross-integration applications between them are highlighting the unprecedente
d value of innovation. Firstly, the research and application status of metamaterials are introduced. Then, the design principles and 3D printing cases of typical metamaterials such as textured mechanical metamaterials, metamaterial mechanisms, thermodynamics metamaterials, elastic materials, electromagnetism metamaterials, negative Poisson ratio metamaterials, and super strength-to-weight ratio metamaterials are introduced in detail. Finally, the integration key technologies of metamaterials and 3D printing are discussed and prospected.
Key words: Metamaterials; 3D Printing; Material Design; Smart Structure; Additive Manufacturing
