科研进展 | 具有可定制负泊松比和多种热变形模式下任意热膨胀...

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随着技术的发展，包括精密制造和复杂机械系统在内的高精度设备需要更好的稳定性来抵抗热扰动和机械扰动，这对支撑部件提出了更高的要求。这为自然材料设定了一个不可能的任务，但力学超构材料的出现通过从精心设计的人工微结构（包括负泊松比和负热膨胀）中实现违反直觉的变形，为这个问题提供了解决方案。负泊松比材料具有良好的抗压强度和高冲击能量吸收，而负热膨胀材料可以通过与正膨胀材料结合来消除热应力。力学超构材料通过特殊的人工微结构将自然材料中泊松比和热膨胀系数的常见正值调整为负值。近年来，多材料3D加性制造促进了3D超构材料的发展。许多工作已经证明了负泊松比或负热膨胀超构材料的各种设计，一些力学超构材料，如手性结构和蜂窝结构，被提出同时具有负泊松比和负热膨胀。然而，这些关于双重反直觉变形的开创性工作大多基于理论分析和仿真，相应的实验研究还很少。此外，以往的工作总是集中在各向同性热变形调节，甚至在一个方向上。相比之下，材料在真实环境中承受的热应力非常复杂，并且经常伴随着机械扰动。因此，对各向同性系数的单个力和热变形的研究远远不能满足当前应用中的复杂要求。

近日，北京科技大学白洋教授团队开发了基于手性和反手性结构的可编程2D力学超构材料，该结构由弯曲的双材料条构成，以产生可定制的负泊松比和任意热变形。力学超构材料的热膨胀系数可在负值、接近零值和正值之间进行大规模调整，这取决于双材料配置和弯曲条带的几何参数，而负泊松比的值主要由弧度决定。此外，通过对单元进行编码，可以将均匀、梯度和剪切模式结合起来，显示定制的各向异性热变形。提出的力学超构材料是通过多材料3D打印制作的，实验验证了异常的变形模式，这与有限元分析的结果非常一致。这项工作展示了一种可行的方法，通过简单的模块构建实现定制的机械和热变形，用于特定的工程应用，包括消除热应力、形状变形和智能执行器。

相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Bai, C. Liu, Y. Li, et al. Programmable Mechanical Metamaterials with Tailorable Negative Poisson’s Ratio and Arbitrary Thermal Expansion in Multiple Thermal Deformation Modes[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022.

https://doi.org/10.1021/acsami.2c08270

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。