華中科技大學(xué)綜述：3D和4D打印電磁超材料應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

2025年6月5日，南極熊獲悉，華中科技大學(xué)的研究人員在電磁超材料 (EMM) 的 3D 和 4D 打印方面的研究取得了重大進(jìn)展，這對(duì)天線(xiàn)、成像系統(tǒng)、隱形斗篷和無(wú)線(xiàn)電力傳輸?shù)男袠I(yè)應(yīng)用具有重要意義。

△EMM光譜和與增材制造對(duì)應(yīng)的制造精度，從微/納米尺度（紫外、可見(jiàn)光和紅外范圍）到宏觀(guān)尺度（太赫茲、微波和無(wú)線(xiàn)電范圍）

相關(guān)研究以題為“3D and 4D Printing of Electromagnetic Metamaterials/電磁超材料的 3D 和 4D 打印”的論文發(fā)表在《Engineering》期刊上，由方如軒、張新如等人聯(lián)合撰寫(xiě)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.10.017

電磁超材料（EMM）是一種人工合成材料，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，能夠展現(xiàn)自然界中不存在的電磁特性。它們獨(dú)特的電磁波操控能力使其成為下一代設(shè)備的理想選擇，但其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其難以用傳統(tǒng)方法制造。

△一些常見(jiàn)的電磁材料包括：碳基材料、金屬材料和MOF、陶瓷材料和聚合物材料。

3D打印技術(shù)能夠精確制造高性能EMM所必需的復(fù)雜幾何形狀。熔融沉積成型 (FDM)、立體光刻 (SLA) 和選擇性激光熔化 (SLM) 等技術(shù)已被用于定制EMM。FDM經(jīng)濟(jì)高效且材料多樣，而SLA則可提供卓越的精度和表面光潔度。這些方法使工程師能夠微調(diào)EMM結(jié)構(gòu)，例如優(yōu)化天線(xiàn)以獲得更高的增益和更寬的帶寬。

△電磁超材料（EMM）由手工定制的晶胞構(gòu)成，具有豐富的功能特性。增材制造（AM）可以提高EMM的結(jié)構(gòu)多樣性，從而可以制備復(fù)雜（梯度結(jié)構(gòu)和多材料）且智能的EMM。R 1為隱藏球體的半徑，R 2為整個(gè)隱藏區(qū)域的半徑

通過(guò)使用形狀記憶材料，EMM現(xiàn)在可以根據(jù)熱、光或電等刺激改變形狀或功能。這一發(fā)展帶來(lái)了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，非常適合航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域，對(duì)不斷變化的環(huán)境的響應(yīng)至關(guān)重要。

最近的應(yīng)用凸顯了影響。3D 和4D 打印的 EMM 增強(qiáng)了天線(xiàn)性能，實(shí)現(xiàn)了抑制電磁波散射的早期隱形斗篷，通過(guò)先進(jìn)的鏡頭提高了成像分辨率，并增加了無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)的范圍和效率。

然而，挑戰(zhàn)依然存在。研究人員必須更好地了解不同的打印方法和工藝引起的缺陷如何影響電磁性能。此外，高速、高分辨率4D打印技術(shù)也需要進(jìn)步，尤其是在多材料集成方面。

3D/4D打印與電磁加工技術(shù)的融合帶來(lái)了范式轉(zhuǎn)變。這種協(xié)同效應(yīng)有望加速跨學(xué)科創(chuàng)新，塑造智能、響應(yīng)迅速、高性能電磁設(shè)備的未來(lái)。