當(dāng)前，美國波音公司、日本豐田公司、韓國LG電子公司、美國雷神導(dǎo)彈公司等世界級(jí)跨國公司正著力推動(dòng)超材料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，積極搶占超材料市場份額。在搶占市場份額的道路上，超材料的制造工藝起著舉足輕重的作用，以美國為首的多個(gè)國家都對(duì)超材料的制造工藝進(jìn)行了深入研究，并取得了突破性進(jìn)展。
超材料是由周期性或非周期性人造微結(jié)構(gòu)排列而成的人工復(fù)合材料，核心思想是通過復(fù)雜的人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工，實(shí)現(xiàn)人造“原子”對(duì)電磁場或者聲納的響應(yīng)，核心理論之一即為描述電磁波傳播軌跡與超材料特性的變換光學(xué)。超材料技術(shù)屬于前沿性交叉科技，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括電磁、微波、太赫茲、光子、先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)體系、通信、半導(dǎo)體等。2010年，超材料被《科學(xué)》雜志評(píng)選為過去10年中人類最重大的十大科技突破之一，引起廣泛關(guān)注。隱身衣、智能汽車、無聲潛艇，這些科學(xué)幻想隨著超材料的發(fā)展終將成為現(xiàn)實(shí)。
一、激光直寫技術(shù)
鋁納米晶格架構(gòu)(A)微結(jié)構(gòu)CAD模型，藍(lán)色區(qū)域代表單個(gè)晶胞(B)微結(jié)構(gòu)剖面
加州理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)使用一種叫做雙光子光刻的激光直寫技術(shù)制造出了能復(fù)原的彈性陶瓷。該技術(shù)制造出的中空管網(wǎng)狀的氧化鋁結(jié)構(gòu)厚度為5納米到60納米，管直徑在450納米到1380納米內(nèi)，而且，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)比一張紙還薄。研究人員稱，當(dāng)陶瓷管壁小至10納米時(shí)，能夠達(dá)到85%的彈性變形。參與研究的盧卡斯·梅扎表示，這種陶瓷能在“普通物質(zhì)無能為力的地方大顯身手”，例如，航天飛機(jī)或者噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用陶瓷防護(hù)瓦而非金屬罩來隔熱的設(shè)備。
德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的科學(xué)家利用spinoff Nanoscribe直接激光寫入法制造出了觸覺隱形斗篷，其制造精度僅超過設(shè)計(jì)樣本長度幾毫米。該觸覺隱形斗篷由聚合物制成的超材料制作。這種超材料是按次微米精度構(gòu)造的晶體結(jié)構(gòu)。它由針尖相接觸的針狀錐組成。接觸點(diǎn)的大小需精確計(jì)算，以滿足所需的機(jī)械性能。通過這種方式，構(gòu)造出的結(jié)構(gòu)通過手指或測量儀器無法感受到。
二、電子/離子束刻蝕
2012年8月，美國哈佛大學(xué)的Federico Capasso及其同事設(shè)計(jì)使用光刻技術(shù)電子束從一個(gè)60納米厚的硅片上蝕刻出一種平的超材料鏡頭，該鏡頭使用金的超材料二維陣列。在制造過程中，通過選定超材料陣列特殊的形狀和間隔，物理學(xué)家能使選定波長的光精確地到達(dá)一個(gè)焦點(diǎn)。該超材料鏡頭可用于智能手機(jī)內(nèi)置相機(jī)中。當(dāng)然，這種平面鏡頭仍然會(huì)受到光衍射的限制。不過超材料提供了一種制造“超級(jí)透鏡”的方式，或能超越這些限制。
三、3D打�。何⒘Ⅲw光刻投影
美國研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本單元結(jié)構(gòu)，稱為八位組桁架單元，用聚合材料通過3D微立體光刻投影技術(shù)打印出來
超級(jí)材料晶格全陣列的形象化演示圖
3D打印技術(shù)不僅僅可以制造產(chǎn)品，也可以開發(fā)自然界中不存在的新材料。美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和麻省理工學(xué)院的研究人員使用3D打印技術(shù)開發(fā)出一類新的材料：超輕、高硬、高強(qiáng)超材料。研究團(tuán)隊(duì)以納米微格為基礎(chǔ)，使用3D噴射微立體光刻投影技術(shù)制造出超材料結(jié)構(gòu)單元。制造過程可以使用不同的材料，包括聚合物、金屬和陶瓷等。這種超材料具有與氣凝膠相同的重量和密度，但剛度是其10000倍。面向不同的應(yīng)用，該超材料具有不同的機(jī)械性能和熱性能，如強(qiáng)度、密度、熱膨脹。未來，具有這些特性的材料可能會(huì)被用于開發(fā)飛機(jī)、汽車和航天器的零部件。
除上述三種技術(shù)外，超材料還可以使用納米壓液、電路板印刷、自組裝法等技術(shù)制造。
超材料平板衛(wèi)星天線
中國在超材料的制造方面處于世界前列，國內(nèi)一些高校和企業(yè)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)成果。
中南大學(xué)教授黃小忠的團(tuán)隊(duì)利用3D打印機(jī)，通過對(duì)材料進(jìn)行編碼，獲得了一塊邊長18厘米、包括10萬個(gè)物理單元的具有隱身性能的超材料，有望實(shí)現(xiàn)我國未來太空隱形飛行器的零部件快速打印和更換。
深圳光啟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)超材料的規(guī)�；a(chǎn)，2013年建立了全球首條超材料微結(jié)構(gòu)精試線，設(shè)備定制化程度高達(dá)70%。光啟的主要產(chǎn)品包括超材料平板衛(wèi)星天線、臨近空間飛行器、智能光子系統(tǒng)等，覆蓋國防、通信、民用等領(lǐng)域。其中，衛(wèi)星天線年生產(chǎn)能力可達(dá)百萬面，為中國的超材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
相信隨著制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展，超材料的制造成本將會(huì)隨之降低，未來超材料的應(yīng)用將更加廣泛，或?qū)⒁l(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命。
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本文標(biāo)題：超材料精細(xì)產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路：制造工藝的發(fā)展
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