當前，美國波音公司、日本豐田公司、韓國LG電子公司、美國雷神導彈公司等世界級跨國公司正著力推動超材料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，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，以美國為首的多個國家都對超材料的制造工藝進行了深入研究，并取得了突破性進展。
超材料是由周期性或非周期性人造微結(jié)構(gòu)排列而成的人工復合材料，核心思想是通過復雜的人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工，實現(xiàn)人造“原子”對電磁場或者聲納的響應，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。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、先進的工程設(shè)計體系、通信、半導體等。2010年，超材料被《科學》雜志評選為過去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，這些科學幻想隨著超材料的發(fā)展終將成為現(xiàn)實。
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，藍色區(qū)域代表單個晶胞(B)微結(jié)構(gòu)剖面
加州理工學院科研團隊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，整個網(wǎng)絡(luò)比一張紙還薄。研究人員稱，當陶瓷管壁小至10納米時，能夠達到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，航天飛機或者噴氣式發(fā)動機需要使用陶瓷防護瓦而非金屬罩來隔熱的設(shè)備。
德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的科學家利用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。接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。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，美國哈佛大學的Federico Capasso及其同事設(shè)計使用光刻技術(shù)電子束從一個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，物理學家能使選定波長的光精確地到達一個焦點。該超材料鏡頭可用于智能手機內(nèi)置相機中。當然，這種平面鏡頭仍然會受到光衍射的限制。不過超材料提供了一種制造“超級透鏡”的方式，或能超越這些限制。
三、3D打�。何⒘Ⅲw光刻投影
美國研究團隊設(shè)計的一個基本單元結(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驗室(LLNL)和麻省理工學院的研究人員使用3D打印技術(shù)開發(fā)出一類新的材料：超輕、高硬、高強超材料。研究團隊以納米微格為基礎(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。面向不同的應用，該超材料具有不同的機械性能和熱性能，如強度、密度、熱膨脹。未來，具有這些特性的材料可能會被用于開發(fā)飛機、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)取得了實質(zhì)性的技術(shù)成果。
中南大學教授黃小忠的團隊利用3D打印機，通過對材料進行編碼，獲得了一塊邊長18厘米、包括10萬個物理單元的具有隱身性能的超材料，有望實現(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)能力可達百萬面，為中國的超材料產(chǎn)業(yè)化進程奠定了堅實的基礎(chǔ)。
相信隨著制造工藝的進一步發(fā)展，超材料的制造成本將會隨之降低，未來超材料的應用將更加廣泛，或?qū)⒁l(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命。
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本文標題：超材料精細產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路：制造工藝的發(fā)展
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