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最新论文——剪纸启发的可编程各向同性/各向异性热膨胀三维超材料
From: Date: 2024-10-24 导读 自然材料通常表现出正的热膨胀系数，但在实际工程应用中，较大的热膨胀和热收缩往往会导致材料发生严重的变形，进而可能引发结构的损坏。机械超材料能够通过其特殊的周期性微结构实现超常的热膨胀特性，例如负热膨胀和接近零的热膨胀响应。然而，受限于拓扑设计和非线性结构变形，大多现有的三维热膨胀超材料只能实现较小范围内的各向同性负/零/正热膨胀，这极大限制了其在空间光学系统和微型机电系统等方面的潜在应用。 近日，天津大学机械工程学院陈焱教授团队联合英国索尔福德大学魏国武教授和英国牛津大学由衷教授，基于单自由度剪纸截角八面体结构，提出了一系列各向同性和正交各向异性的三维热膨胀超材料，实现了三维尺度下超大范围的负/零/正可调热膨胀系数（-2354.3~3006.7ppm/°C），并在单一超材料中实现了三维正交方向上可独立编程的负/零/正热膨胀响应。该成果于2024年10月22日在线发表于国际权威期刊《先进材料》（Advanced Materials）。论文共同通讯作者为天津大学陈焱教授、马家耀教授，共同第一作者为天津大学博士后顾元庆、博士生魏志波。该研究由国家自然科学基金、腾讯基金（科学探索奖）资助完成。 图1 各向同性和各向异性剪纸单胞设计及其扩展阵列 通过在剪纸多面体折痕处布置双金属片，利用双金属片受热产生正向或反向弯曲变形，得到了具有负热膨胀和正热膨胀响应的单胞设计。分析发现，双金属片的受热弯曲角度与初始弯曲角度无关。因此，基于运动角度的线性变化关系，满足两组双金属片的其他设计参数相同（双金属片厚度t和弧长L），即可实现两组双金属片受热时相同程度的弯曲变形，获得与机构学设计一致的单胞协调热变形。在此基础上，通过调节负热膨胀和正热膨胀单胞的结构参数，能够产生大范围可编程的热膨胀系数(图2)。同时，使用双金属片（Ni36/Mn75Ni15Cu10）和铝板(基体材料)分别制作了具有负热膨胀（视频1）和正热膨胀（视频2）响应的单胞并进行了实验，验证了理论模型的可靠性。 图2 负/正热膨胀单胞设计及其参数化分析
视频1 负热膨胀单胞可逆热变形
视频2 正热膨胀单胞可逆热变形 与自然材料以及之前报道的三维热膨胀超材料相比（图3），本设计可以通过调节双金属片的厚度等参数，得到更大的热膨胀率调控区间（-2354.3至3006.7ppm/℃），同时也实现了比模量的大范围可调。 图3 三维超材料热膨胀率与比模量调控研究现状 利用单胞的负热膨胀变形抵消基体材料的热膨胀，实现了零热膨胀单胞设计；另外，对正/负热膨胀单胞进行交替混合镶嵌，使得超材料在三个正交方向的尺寸边界位移均为零，由此同样获得了宏观零热膨胀响应（图4）。同时，制作2×2×2零热膨胀超材料进行实验验证，如视频3所示，热膨胀率仅为4.01 ppm/℃。 图4 零热膨胀超材料设计
视频3 2×2×2阵列零热膨胀响应 在各向同性单胞构建方法基础上，通过调节各个方向上单胞的几何参数，提出正交各向异性热膨胀单胞的可编程设计方法（图5）。与各向同性单胞中线性角度变化关系类似，正交各向异性单胞同样具有协调的热变形。视频4演示了一个正交各向异性负热膨胀单胞设计。结合各向异性热膨胀单胞和交替混合镶嵌方式，设计了在三个方向上分别表现为正热膨胀、零热膨胀和负热膨胀的可编程各向异性超材料。视频5展示了2×2×2阵列的热膨胀响应，三个正交方向上热膨胀率分别为77.3 ppm/℃，-718.8 ppm/℃和3.93 ppm/℃。对于更大尺寸的超材料阵列，通过有限元仿真模拟了4×4×4阵列的热膨胀响应，正交方向上热膨胀率分别为144.8 ppm/℃，-304.3 ppm/℃和0.27 ppm/℃。 图5 正交各向异性热膨胀单胞及超材料混合镶嵌设计
视频4 正交各向异性热膨胀单胞的可逆热变形
视频5 2×2×2阵列的正交各向异性热膨胀响应 综上所述，本研究提出了一种基于机构运动学的热膨胀超材料设计框架，基于单自由度剪纸多面体设计了一系列具有各向同性和正交各向异性的三维可编程超材料，同时提供了三维尺度下超大范围的可调热膨胀系数，为空间光学系统、热致动器、微型机电系统等其他跨大温域运行的工程应用提供了解决方案。
Gu Y#, Wei Z#, Wei G, You Z, Ma J*, Chen Y*. Kirigami-inspired three-dimensional metamaterials with programmable isotropic and orthotropic thermal expansion. Advanced Materials, 2024, 2411232. |
