新型3D打印超材料实现主动冷却和射频通信

2021年9月10日，南极熊获悉，美国的一个研究小组利用3D打印技术创造了一种新型的、高度可配置的超材料，且具有可修改的热和电磁特性。

来自北卡罗来纳州立大学博士生Urmi Devi领导的工程师们表示，他们从生物体内的血管网络中获得了灵感。通过3D打印微小的静脉状空心管网络，该团队发现，当通过血管泵送不同的液体时，它可以控制复合超材料的几个特性。

这种受生物启发的创新是用玻璃纤维增强的结构性环氧树脂3D打印的，被称为"血管化玻璃纤维"。据该研究的通讯作者Jason Patrick说，超材料的可重构性使其具有多功能性，有可能应用于微处理器、飞机和建筑物的主动冷却，以及飞行中的可调谐通信设备。

帕特里克说："纤维增强的复合材料已经在广泛使用。我们所做的是在材料方面取得进展，并利用3D打印技术创造出一类新的多功能和可重新配置的超材料，这对于可扩展的、结构性的实施具有真正的潜力，而且不应该是过于昂贵的。"

△超材料的电磁特性可以用液态金属合金来改变，而它的热特性可以让水通过它来改变。图片来自北卡罗来纳州立大学

支持3D打印的超材料

超材料的多功能性最终可以归功于增材制造所赋予的设计自由。这项技术使工程师们能够以广泛的几何形状和尺寸3D打印高度复杂的管网——微血管。由于超材料依赖于现成的复合材料制造工艺，它的生产也应该具有成本效益。

在实验过程中，美国研究人员让镓和铟的室温液体合金穿过该网络，这使他们能够控制其电磁特性。具体来说，通过修改血管的方向、间距和内部导电液体金属的体积，研究小组可以密切控制超材料如何过滤掉无线电频谱中的特定电磁波。这对于能够按需从频谱的一个部分跳到另一个部分的可调谐通信系统具有巨大的潜力。

该论文的共同作者Kurt Schab补充说："动态地重新配置电磁行为的能力真的很有价值，特别是在尺寸、重量和功率限制高度激励使用能够在系统中执行多种通信和传感作用的设备的应用中。"

△用于测试3D打印超材料的电磁特性的实验装置。图片来自北卡罗来纳州立大学

在主动冷却方面的应用

通过简单地让水在血管网络中循环，工程师们证明他们也可以密切控制超材料的热性能。这有望在高超音速飞机、微处理器系统和电动汽车等设备中实现先进的主动冷却系统。

特别是电动汽车的电池，目前依靠带有简单微通道的铝鳍进行冷却。预计3D打印的超材料在散热方面同样有效，同时通过更复杂、更优化的通道结构大大减轻了重量。

"我们清楚地知道这种超材料的一些应用，但当然也有我们没有想到的应用，"帕特里克补充说。"我们愿意与那些对我们如何能够进一步利用这种新型材料有新想法的人合作。"

这项研究的更多细节可以在题为《A Microvascular-BasedMultifunctional and Reconfigurable Metamaterial》的论文中找到。它是由Jason Patrick、Urmi Devi、Kurt Schab等人共同撰写的。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100433

三维打印材料的创新是推动功能性增材制造应用的一个重要因素。就在上个月，来自新加坡南洋理工大学（NTU）和加州理工学院（Caltech）的科学家们3D打印了一种柔性链式邮件启发的织物，可以根据需要变硬。这种织物由尼龙塑料聚合物八面体3D打印而成，这些八面体相互交错，可以变成一种刚性结构，比其放松状态下的硬度高25倍。

3D打印材料的创新是推动功能性增材制造应用的主要因素。就在上个月，来自新加坡南洋理工大学（NTU）和加州理工学院（Caltech）的科学家们3D打印了一种柔性链式邮件启发的织物，可以根据需要变硬。这种织物由尼龙塑料聚合物八面体3D打印而成，这些八面体相互交错，可以变成一种刚性结构，比其放松状态下的硬度高25倍。

在其他地方，埃因霍温科技大学（TUE）的科学家们最近开发了一种与3D打印技术兼容的新型变色液晶墨水，从而取得了新的突破。该团队认为其工作可能对装饰性照明、用于健康监测的软性可穿戴传感器、甚至增强现实光学等应用产生重大影响。

2021年9月9日，首届Formnext + PM South China在深圳国际会展中心开幕。扫描下方二维码，可观看本次展会图片直播，南极熊已经拍摄了1000张现场展位和展品的精美照片。