清华大学《Adv Mater》：大范围正负热膨胀系数的机械超材料！

编辑推荐：本文介绍了一类2D分层超材料的设计理念和制造策略，该类超材料能够有效地将两种紧密堆积的组成材料之间的热不匹配，转化为巨大的双轴/单轴热膨胀/收缩。该研究中报道的分层超材料与先前的报告相比，能够大大扩大热膨胀的可及范围。

大多数天然材料在加热时各向同性地膨胀，因为分子的动能增加了它们在非抛物线原子势中的运动范围，从而提供了正热膨胀系数，其中大多数在1~300 ppm K^-1的范围内。最近的研究表明，具有优化微结构结构的机械超材料可以产生非常规的热膨胀行为。尽管之前对超材料进行了较大或超低热膨胀系数（CTE）的研究，但在具有高填充率的结构中获得大范围的热致尺寸变化的CTE值仍然是一个关键的挑战。

清华大学张一慧教授等人介绍了一种高度填充的分层超材料设计，具有CTE大范围的可调性以及大的热变形。相关论文以题为“Designing Mechanical Metamaterials with Kirigami-Inspired, Hierarchical Constructions for Giant Positive and Negative Thermal Expansion”发表在Advanced Materials上。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004919

通过实验论证，理论建模、有限元模拟和实验测量之间得到了一致性证明，这些系统可以精确定制，以提供大范围的CTE，包括线性模式下的大的各向同性/各向异性热膨胀或收缩。通过对先前报道的机械超材料的热膨胀响应的定量比较表明，这里报道的结果显著地扩大了Ashby图中CTE的可及范围，对于双轴CTE来说几乎扩大了一个数量级。优异的各向同性/各向异性CTEs、具有线性行为的大热变形、高填充率和相对快速的热响应的组合属性为航空航天、形状变形结构、生物医学器件、热开关和致动器、光学器件，和其他需要在宽温度范围内操作的可展开系统的应用提供了潜在的强大选择。

图1a示意性说明了kirigami启发的超材料设计的分层结构，该设计能够实现各向同性热膨胀。该结构遵循中间面板中所示的周期性单位元素的线性阵列。该单位包括一个方形基底(长度L1)在中心和四个相同的结构分支(长度L2)与kirigami模式。分支作为致动部件，将双层梁的弯曲变形转化为大的单轴热膨胀，而作为被动支撑的中心基座连接致动部件以形成正方形网格图案。

图1 受到kirigami启发的具有巨大正热膨胀的2D分级超材料的设计策略和实验演示。a)分层设计和关键几何参数的说明。b)在(左)和(中)增加30°C之前(左)和之后(中)制造的超材料样品的光学图像，以及通过有限元分析预测的变形配置(右)。设计参数包括(Le/L1、LPI/WPI、LPMMA/LPI、L2/L1、WPI/WPMMA、WPI/WGap、L1、LJoint和WPI) = (0.86、62.8、0.8、0.35、1、1、15 mm、2 mm和100 m)。c)在基本致动元件的垂直长度上具有梯度的分级设计的图示，以及相应的几何参数。d)制造的超材料样品在20℃升高之前(左)和之后(中)的光学图像，以及有限元分析预测的变形结构(右)。设计参数包括(Le,1/L1,LPI,1/WPI, LPMMA/LPI, L2/L1, WPI/WPMMA, WPI/WGap, L1, LJoint和WPI) = (0.84，52.8，0.8，0.37，1，1，15 mm，2 mm，100 m)。比例尺:5毫米。

图2 kirigami启发的2D分级设计与正热膨胀的微结构-性能关系。a)基本致动元件的图示(左)、根据LPI/WPI和LPMMA/LP模拟的CTE放大系数的等高线图，以及四个不同LPI/WPI的CTE与LPMMA/LPI的放大系数。其他参数固定为LJpoint = 2mm和WPI = WPI = WPI = 100m。b)2D分层超材料的图示(左)、CTE在L2/L1和LPI/WPI方面的模拟放大系数的等高线图(中)，以及三种不同LPI/WPI的CTE与L1/L2的放大系数(右)。其他参数固定为LJoint = 2 mm，WPI = WPI = WPI = 100 m，= 15 mm，Le/ L1 = 0.86，LPMMA/LPI = 0.8。c)带有梯度设计的2D分层超材料的图示(左)、CTE在L2/L1和LPI方面的模拟放大系数等高线图，1/WPI(中)，以及CTE与L1/L2在三种不同LPI下的放大系数，1/WPI(右)。其他参数固定为LJoint = 2 mm，WPI = WPI = WPI = 100 m，Le,1/L1 = 0.84，LPMMA/LPI = 0.8。

总之，研究人员提出了一种2D分层超材料设计，它将kirigami启发的双层激励元件结合到周期性晶格图案中。该材料为航空航天、形状变形结构、生物医学器件、热开关和致动器、光学器件，和其他需要在宽温度范围内操作的可展开系统的应用提供了潜在的强大选择。（文：8 Mile）