功能梯度可控的超材料微/宏结构设计与制造及其多场特性研究

Metamaterials can realize specific functional gradient distribution, which allows for manipulating the propagation of mechanical and electromagnetic waves. Metamaterials have great application prospect in the fields of national defence, communications, sensing and energy. In real applications, the diversity of environment, target object and functional needs put higher requirement for practical system. In current research, effective control mechanism for multi-field functional gradient distribution is limited. Fabrication of the multi-medium and multi-scale micro/macrostructure remains a challenge. We aim to establish a new control method for metamaterial properties based on multilevel structure coupling mechanism. By studying the influence of different level/elements on the mechanical/electromagnetic performance of metamaterials, we illuminate the coupling mechanism. Based on the multilevel spatial gradient of micro/macrostructure, we aim to establish a high freedom control mechanism for multi-field functional gradient distribution. Based on Stereolithography and Projet additive manufacturing process, and by integrating the direct and indirect forming process, we aim to explore the fabrication method for metamaterials. We also aim to investigate the constraint and influence of process parameters on the performance of metamaterials, so as to realize the fabrication for multi-medium and multi-scale micro/macrostructures with controllable shape and performance. The proposal will provide a new idea and a new technology approach for integrated design and fabrication of complex functional gradient system, and will promote the development of metamaterials from theoretical research to practical application.

超材料结构可实现特定的功能梯度分布，能够对机械波和电磁波进行精确调控，在国防、通信、传感、能源等领域有着重大的应用前景。实际场景中环境、对象和功能需求等具有多样性，对构建面向应用的系统提出了更高要求，目前仍缺乏有效的多场功能梯度可控机制和多材料跨尺度微/宏结构制造手段。本项目提出一种基于多层次耦合的超材料性能调控机制，通过研究微/宏结构不同层次和因素对机械/电磁等效性能的影响规律及其耦合调控机理，基于微/宏结构的多层次空间渐变构型设计，建立面向多场的功能梯度分布高自由度可控机制；基于光固化和微液滴喷射增材制造技术，探索超材料的直接成型/间接成型集成制造方法，阐明工艺参数对微/宏结构及其宏观等效性能的约束及影响，实现具有多材料分布和跨尺度特征的超材料微/宏结构控形控性成型。本项目将为复杂功能梯度系统的一体化设计与制造提供新的思路和技术途径，推进超材料从理论研究向实际应用的发展。

超材料是一类由基本单元结构按照一定规律排布而成的人工周期结构，在国防、通信、传感、能源等领域有着重大的应用前景。通过构造不同尺寸、形态的亚波长单元结构，可以对其宏观性能进行调控；通过单元结构在空间的排布构造特定的功能梯度分布，还可对机械波和电磁波进行精确调控。实际场景中环境、对象和功能需求等具有多样性，对构建面向应用的超材料系统提出了更高要求，需要建立有效的多场功能梯度可控机制和多材料跨尺度微/宏结构制造手段。对此，本项目围绕单元结构多场性能调控、微/宏结构系统构型设计及其功能梯度分布控制、多材料跨尺度微/宏结构增材制造三个方面的内容开展研究，取得的主要进展如下：. 建立了基于能带理论的均质化分析方法，阐明了多层次耦合单元结构的等效性能调控机理；提出了多种单元构型设计方法并建立了灵活的多场性能调控机制，包括基于带隙耦合机制的宽频弹性波带隙性能、三维全向超宽频弹性波带隙性能、电磁波-弹性波耦合带隙性能、基于单相结构的低频局域共振带隙性能、减振-抗冲击耦合性能，探索了基于数据驱动的单元结构智能设计方法。提出了基于三维空间渐变拓扑结构的微/宏结构系统构型设计方法，阐明了典型三维超材料结构的一体化成型条件；基于多种工艺建立了面向不同构型和材料体系的超材料微/宏结构增材制造方法；建立了典型异形特征激光增材制造过程仿真模型，提出了多源状态信息融合驱动的激光增材制造过程局部质量监测方法。. 在本项目的资助下，截止项目结题时已发表学术论文10篇（包括SCI论文5篇和EI论文4篇），其中项目负责人为第一作者或通讯作者的论文8篇（包括中科院大类一区1篇和二区2篇）,项目负责人作为第一发明人申请并获授权国家发明专利4项。.