研究人员3D打印温控变形天线，采用镍钛记忆合金材料制备

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2024年12月7日，来自约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的研究人员已经 3D 打印出一种可以根据温度改变形状的天线。

这项技术以题为“Two-Way Additively ManufacturedShape Memory Alloy Wideband Reconfigurable Compound Antenna”的论文被发表在近期的 ACS 应用工程材料在线期刊上，在广泛的军事、科学和商业应用中具有变革潜力。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.4c00488

天线前端的形状决定了它的许多操作参数。一旦制造出来，这些特性就固定下来了。变形天线将使通信能够跨越更广泛的射频 (RF) 频段，从而开辟新的操作灵活性领域。在众多可能性中，单个变形天线可以完成多个固定形状天线的工作，动态适应频谱可用性，并改变波束宽度以在短距离和长距离通信之间切换。

新型天线受到科幻影片的启发，是 APL 跨学科创造性合作的成果。电气工程师詹妮弗·霍伦贝克说，她从《The Expanse/苍穹浩瀚》系列电影中得到了这个想法，其中的外星技术是有机的，可以变形。她说：“我的职业生涯都在研究天线，并努力克服其固定形状带来的限制。我知道 APL 拥有创造不同事物的专业知识。”

2019 年，霍伦贝克联系了史蒂文·斯托克 (Steven Storck)，他目前担任实验室研究与探索开发部增材制造首席科学家，当时斯托克领导着一个独立研发项目，旨在创建一种有前景的方法来增材制造形状记忆合金。这些独特的材料在较低温度下会变形，但在加热时会恢复到“记忆”的形状，并用于各种各样的应用——从医疗用途（如正畸丝、血管支架和骨植入物）到航天器控制面的执行器。

机械工程师兼材料科学家 Andy Lennon 曾使用镍钛合金（一种镍和钛的形状记忆合金）制作线圈，这些线圈可以延伸到人的食道，帮助进行心脏成像。当 Lennon 和其他人研究镍钛合金的应用时，他们产生了用它 3D 打印复杂形状的想法。但这带来了一个问题：镍钛合金和其他形状记忆合金通常需要大量的机械加工（称为冷加工）才能实现形状记忆效果，因此，它们通常只能以线材或薄片的形式提供。Lennon 说：“进行大量的冷加工会使整个目的落空。如果你把这种复杂的形状通过模具拉伸，你就会回到线材的状态。”

APL 团队最初进行的研究旨在解决与镍钛合金组件可扩展增材制造相关的根本挑战，后来应用这些技术来创建可用于太空应用的可变形结构。在对天线应用进行大量实验后，团队改变了镍和钛的比例，但首次尝试使用 3D 打印镍钛合金创建可变形喇叭天线失败了。虽然天线在技术上确实可以伸缩并改变其频率，但它也非常坚硬且难以扩展。Hollenbeck说：“事实证明这是一个非常复杂的设计，而且效果不如我所愿。”

Hollenbeck和他的团队毫不气馁，提交了一份推进力补助金申请，这是 APL 的内部融资机会之一，旨在支持开发针对关键挑战的革命性解决方案。

这次，Hollenbeck有了一个新的天线设计方案。Lennon的团队已经能够 3D 打印出具有双向形状记忆功能的镍钛合金，这种合金可以通过加热和冷却来交替改变两种记忆形状。在 APL 力量投射部门的电气工程师 Kyle Sibert 的关键设计和原型设计支持下，Hollenbeck的团队开发出了一种天线，它在冷却时呈扁平螺旋盘状，但在加热时则变成锥形螺旋。

加热螺旋天线是一项挑战。团队必须确定如何加热 3D 打印天线的金属，使其变形，但又不影响射频特性或烧毁结构。为了解决这个问题，由射频和微波设计工程师 Michael Sherburne 领导的团队必须发明一种新型的电源线。Sherburne说：“为了达到峰值加热效果，电源线必须处理大量电流。我们必须回到根本问题才能实现这一点。”

难题的最后一部分是研究如何以一致、可重复的方式 3D 打印天线。Lennon改良的镍钛合金含有更高的镍浓度，这使其难以大规模打印。

增材制造工程师 Samuel Gonzalez 说道：“我们在优化合金加工参数和设计方面拥有丰富的经验，但这次的改进更进一步。目前很少有人打印这种材料，所以没有加工它的秘诀。”

研究团队成员玛丽·达夫隆说：“我们在打印过程中制造了好几次碎片，因为天线在打印时会因为热量而变形，导致剥落。”

通常，该团队可以在不到四天的时间内加工出一种合金，但 Daffron 和 Gonzalez 表示，这种特殊材料的制造时间却长达两到四周。

现在他们已经优化了加工参数，并开始寻找方法巩固最初的成功。Daffron 说道：“我们希望优化参数，使其适用于多种不同的机器，使其应用范围更广，而且我们知道我们需要针对可能在不同温度下启动的材料的不同变化进行优化。”

APL 各个团队的努力已经产生了一种具有广泛应用前景的革命性技术，可以支持现场特殊操作员、移动网络电信，甚至是前往遥远天体的太空任务。

APL 正在代表团队申请形状自适应天线技术的完整专利。实验室还暂时决定申请用于加热螺旋的新型电源线、用于控制天线的方法以及使用形状记忆合金制造相控阵天线的方法和工艺的专利。

APL 首席工程师 ConradGrant 表示：“APL 团队展示的变形天线能力将成为改变游戏规则的推动因素，适用于许多需要小尺寸和轻量配置的射频适应性的应用和任务。这是实验室通过积极主动、能力强、多学科团队实现创新的又一个有力例证。”