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图 超结构分类及应用
在国家自然科学基金项目（批准号：51922044、51775208）等资助下，华中科技大学宋波教授与海内外合作者在超结构设计与增材制造研究取得系列进展，相关成果以“超结构增材制造及其发展趋势（A review of additive manufacturing of metamaterials and developing trends）”和“霍尔佩奇关系启发的结构设计策略优化微晶格超结构性能（Decoupling microlattice metamaterial properties through a structural design strategy inspired by the Hall–Petch relation）”为题发表在《今日材料》和《材料学报》（Materials Today, Acta Materialia）等期刊上，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.019，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118214。
传统意义材料性能已达到服役极限，模仿超材料属性的结构设计或仿生的微细单元超结构，可实现与本征材料相反或奇特物理性能。超结构形状往往极端复杂，具有宏微观跨尺度特点，传统制造技术难以实现，增材制造技术实现超结构具有显著优势。该团队开辟了超结构设计与增材制造方向，考虑增材制造工艺约束条件，建立了正向与逆向设计、增材制造与性能预测等方法，突破了多性能耦合设计与制造关键技术，分别在力学、声学、热学、生物和晶格超结构等方面获得原创性研究成果（图）。为超结构在航空航天、生物医疗等领域的应用奠定了理论基础，在中船重工719所、同济医学院等单位已完成原理验证。
声学超结构：针对水下特种装备的防侦查能力需求，利用激光选区熔化成形阶梯效应，提出了水下声波频散优化策略设计哑铃形杆、高自由度的声隐身钛合金超结构设计方法。超结构与纯材料相比，在12-24kHz内，五模超结构散射系数平均降低97%。
热学超结构：针对高超声速飞行器热防护隔热需求，考虑激光选区熔化热应力吸附效应，提出了仿柚子皮热学超结构变区域密度杆的热学超结构设计方法，超结构在Re=7000–30000时具有最高的努塞尔数、最低的压降和摩擦系数，表现出更高的散热指数；在0.92孔隙率下，热效率系数超过1，表现出优异的散热和吸能效果。
晶格超结构：针对生物骨支架承载与传质多性能需求，采用区域参数可变的激光选区熔化增材工艺，提出了仿Hall-Petch关系的多尺度晶格超结构，通过晶格的宏微孔隙度和拓扑可变性实现性能的超宽范围调控，在相对密度25%时，晶格超结构的杨氏模量调控范围为0.34-6.86 GPa，渗透率调控范围为0.45-9.53 × 10 –9 m2。
生物超结构：针对生物骨支架去应力屏蔽需求，开发低残余应力的金属增材制造工艺，提出了一种双锥杆与均匀杆耦合降低应力的生物超结构设计方法，与传统金刚石晶格相比模量和强度分别低41.46%和46.42%，有利于骨支架力学性能与宿主骨匹配，避免了应力屏蔽，且具有分级的孔隙分布、合适的强度等特点，显著提高了渗透性和耐冲击能力，促进了体内成骨。提出了基于板格超结构设计新型骨支架，这类支架的面压力状态不仅提升了力学性能，还有效解决了传统桁架结构骨支架中普遍存在的应力集中问题。
研究团队提出微观组织与宏观结构一体化设计与增材制造技术，为我国在高端装备领域的设计与制造提供强有力的技术支撑。