超材料结构设计与增材制造

超材料的概念起源于具有负折射率的左手材料，随后衍生到具有天然材料所不具备的各种奇异特性，如零/负泊松比、电磁/声学/热隐身效应等的人工材料。超材料有不同的分类方法，根据其应用领域，超材料大致可分为力学超材料、声学超材料、热学超材料、电磁超材料四大类。通过对具有不同物理参数的材料进行结构设计和分布安排，可以在理论上实现超材料的功能。但在复杂构型的超材料构件成形过程中，传统的制造工艺面临以下问题：①材料制备与零件成形分离，流程长且灵活性低；②材料结构功能一体化成形性能调控难。增材制造（additive manufacturing，AM）技术在制造复杂结构方面具有极大的优势，使超材料的制备和实验验证更加方便、高效。通过将一个物体的三维模型离散成多个薄层，并逐层积累，AM技术能够在理论上制造任何复杂的结构。AM技术是实现多材料、跨尺度、高性能零件成形的有效手段，使设计由以工艺为导向转向以性能为导向，极大地扩展了设计空间。AM可为各种形状复杂的超材料部件提供制造技术，而其中激光选区熔化技术具有成形高精度金属零件的能力。因此，超材料零件的AM技术是未来先进制造的发展方向之一。本书作者致力于超材料设计与增材制造工艺研究，力求将超材料与增材制造柔性结合，促进超材料在各行各业的广泛应用。本书阐明了超材料的定义，然后全面描述了增材制造的超材料研究现状以及激光增材制造工艺，随后分别介绍了增材制造声学超材料、热学超材料、生物超材料、晶格超材料以及板格超材料等在声学工程、航空航天和生物医疗领域的研究与应用。全书分为八章。第1章讨论了超材料和AM技术的*新进展，给出了本书的核心背景。第2章涵盖拓扑优化和受竹子启发的力学超材料与增材制造成形工艺的研究。第3章研究了各种声学超材料的设计和增材制造成形工艺。第4章介绍了一种仿柚子皮的热学超材料设计与增材制造。第5章介绍了基于超材料的生物骨支架的设计和增材制造研究。第6章对微晶格超材料的设计和增材制造工艺进行了研究。第7章介绍了板格超材料的研究，提出并利用激光选区熔化技术制备了具有半开孔拓扑结构的板格超材料。第8章给出了增材制造超材料的应用和展望。本书主要由华中科技大学宋波、张磊、王晓波和史玉升，南京工业大学赵爱国以及中国航天科技创新研究院王鹏飞撰写，具体分工如下：第1章由宋波、张磊负责，华中科技大学范军翔、张志、胡凯、方儒轩、张莘茹、吴祖胜参与了撰写工作；第2章由宋波、张磊、王鹏飞负责，华中科技大学范军翔、张志参与了撰写工作；第3章由宋波、赵爱国、张磊负责，华中科技大学范军翔参与了撰写工作；第4章由宋波、张磊负责，华中科技大学张志参与了撰写工作；第5章由宋波、张磊负责，华中科技大学张莘茹、吴祖胜参与了撰写工作；第6章由宋波、张磊负责，华中科技大学张莘茹、吴祖胜参与了撰写工作；第7章由宋波、张磊、王晓波负责；第8章由宋波、张磊、史玉升负责，华中科技大学方儒轩参与了撰写工作。史玉升担任本书主审；章媛洁、张金良、魏帅帅等参与了校对工作。由于作者水平有限，书中难免有疏漏之处，恳请广大读者批评、指正。史玉升2017年7月于华中科技大学超材料结构设计与增材制造

本书内容包括超材料结构优化设计、增材制造工艺、微观结构形貌、力学响应、声学性能、质量传输性能，以及通过激光选区熔化增材制造技术制造的特殊工程结构超材料的应用示例。本书定义了超材料，然后全面描述了增材制造的超材料研究现状以及激光增材制造工艺，随后分别介绍了增材制造声学超材料、热学超材料、生物超材料、晶格超材料以及板格超材料等在声学工程、航空航天和生物医疗领域的研究与应用。*后，本书分析了增材制造超材料的研究现状、问题和前沿应用。本书可供数学、物理学、生物学、工程和材料科学等各个研究领域的读者参考使用。

宋波，华中科技大学材料科学与工程学院教授。目前也担任多个国际SCI期刊Scripta Materialia，Journal of Alloys and Compounds，Surface and Coatings Technology，Materials & Design等特约审稿人。与法国、美国、英国、中国等多个地区的著名研究团队长期保持紧密的学术与科研联系。研究方向包括3D打印技术、粉末冶金、材料与结构设计、先进功能零件与涂层。相关研究成果获5项发明专利受理，已在国际SCI期刊累积发表近40篇。

第1章绪论(1)
1.1超材料的起源和分类(1)
1.2增材制造超材料(2)
1.3激光选区熔化(5)
1.4本书大纲(7)
第2章力学超材料(9)
2.1拓扑优化力学超材料与增材制造(9)
2.1.1引言(9)
2.1.2拓扑优化方法(11)
2.1.3制备与设计(12)
2.1.4SLM制造精度(13)
2.1.5应力应变曲线和变形行为(16)
2.1.6应力分布预测(19)
2.1.7力学性能(21)
2.1.8能量吸收能力(22)
2.1.9结论(24)
2.2拓扑优化设计与4D打印活性力学超材料(24)
2.2.1引言(24)
2.2.2材料建模(26)
2.2.3形变计算(27)
2.2.44D打印*材料拓扑优化设计(29)
2.2.5数值示例(33)
2.2.6讨论(37)
2.2.7结论(39)
2.3仿竹子力学超材料及其增材制造(39)
2.3.1引言(39)
2.3.2压缩力学建模方法(40)
2.3.3设计原理(42)
2.3.4数值优化(44)
2.3.5实验验证及机理分析(47)
2.3.6结论(53)
第3章声学超材料(55)
3.13D打印低频声学超材料(55)
3.1.1引言(55)
3.1.2设计策略(56)
3.1.3理论和有限元分析(57)
3.1.4适应性吸声性能(64)
3.1.5宽频吸声(67)
3.1.6结论(68)
3.2类水五模超材料的设计与实验验证(68)
3.3宽频多相PM的设计与仿真(74)
3.4一种新型宽频多相PM实验验证(81)
3.4.1引言(81)
3.4.2多相PM器件的实验结果(82)
3.4.3多相配置的优势(84)
3.4.4结论(87)
第4章热学超材料(88)
4.1引言(88)
4.2传热模拟(89)
4.3力学模拟(90)
4.4设计原理(91)
4.5传热性能(92)
4.6压降和热效率指数(94)
4.7能量吸收(95)
4.8与其他力学超材料比较(99)
4.9结论(100)
第5章生物超材料(101)
5.1一种降低增材制造多孔金属生物材料应力屏蔽效应的拓扑设计
策略(101)
5.1.1引言(101)
5.1.2点阵结构的设计(102)
5.1.3有限元方法(104)
5.1.4设计点阵结构的弹性响应(106)
5.1.5形态分析(109)
5.1.6力学性能(114)
5.1.7计算验证(114)
5.1.8仿人骨功能结构设计(117)
5.1.9结论(120)
5.2激光选区熔化多孔金属骨支架材料的定制力学响应和质量传输
特性(122)
5.2.1引言(122)
5.2.2多孔生物材料设计(124)
5.2.3计算方法和渗透率测试(127)
5.2.4显微形貌(129)
5.2.5力学响应(133)
5.2.6质量传输特性(136)
5.2.7金刚石五模超材料骨支架的优化设计(140)
5.2.8结论(144)
5.33D打印仿生超材料骨支架(145)
5.3.1引言(145)
5.3.2海胆棘特征及仿生支架设计(146)
5.3.33D打印仿生支架的形态表征(148)
5.3.4仿生支架的力学性能和传质性能(148)
5.3.5仿生支架体外生物活性分析(151)
5.3.6仿生支架体内生物活性分析(154)
5.3.7结论(156)
第6章微晶格超材料(157)
6.1各向异性启发、模拟引导设计和3D打印的具有定制力学传质性能
的微晶格超材料(157)
6.1.1引言(157)
6.1.2原子与空间变换激发的微晶格超材料(158)
6.1.3几何特征(159)
6.1.4与方向相关的弹性响应(161)
6.1.5取向相关的传质性能(163)
6.1.6协同作用下的弹性响应和传质性能(165)
6.1.7SLM 3D打印及实验测试(166)
6.1.8梯度取向的微晶格超材料(168)
6.1.9微晶格取向对力学性能和渗透率的影响(168)
6.1.10结论(171)
6.2一种受HallPetch关系启发的结构设计策略解耦微晶格
超材料(172)
6.2.1引言(172)
6.2.2受织构启发的微晶格超材料设计(173)
6.2.3微晶格的制造精度(176)
6.2.4力学性能的HallPetch关系(177)
6.2.5传质性能的HallPetch关系(179)
6.2.6力学性能和传质性能的解耦与优化(183)
6.2.7分层微晶格骨支架设计(184)
6.2.8结论(184)
第7章板格超材料(187)
7.1具有半开孔拓扑结构的增材制造板格超材料的可调谐
力学性能(187)
7.1.1引言(187)
7.1.2结构设计和有限元建模(188)
7.1.3板格超材料的可调力学性能(194)
7.1.4结论(206)
7.2激光选区熔化制备Ti6Al4V板格支架的各向异性力学
和质量传输性能(207)
7.2.1引言(207)
7.2.2各向异性板格超材料和实验方法(208)
7.2.3各向异性板格超材料的机械和质量传输性能(213)
7.2.4板格支架和人体骨骼的力学和质量传输性能比较(222)
7.2.5结论(224)
第8章商业前景和未来研究方向(226)
参考文献(228)

本书内容包括超材料结构优化设计、增材制造工艺、微观结构形貌、力学响应、声学性能、质量传输性能，以及通过激光选区熔化增材制造技术制造的特殊工程结构超材料的应用示例。本书定义了超材料，然后全面描述了增材制造的超材料研究现状以及激光增材制造工艺，随后分别介绍了增材制造声学超材料、热学超材料、生物超材料、晶格超材料以及板格超材料等在声学工程、航空航天和生物医疗领域的研究与应用。*后，本书分析了增材制造超材料的研究现状、问题和前沿应用。本书可供数学、物理学、生物学、工程和材料科学等各个研究领域的读者参考使用。

宋波，华中科技大学材料科学与工程学院教授。目前也担任多个国际SCI期刊Scripta Materialia，Journal of Alloys and Compounds，Surface and Coatings Technology，Materials & Design等特约审稿人。与法国、美国、英国、中国等多个地区的著名研究团队长期保持紧密的学术与科研联系。研究方向包括3D打印技术、粉末冶金、材料与结构设计、先进功能零件与涂层。相关研究成果获5项发明专利受理，已在国际SCI期刊累积发表近40篇。