上海交大：通过能量交换和形状记忆研究单一材料可逆多重变形

与其他可编程结构相比，形状记忆聚合物(SMPS)热触发活性超材料具有更大的可再配置性，因为其具有形状锁定的暂时性条件。然而，由于缺乏合适的策略和合理的力学模型，大多数基于SMP的活性超材料并没有表现出复杂的变形，如多峰变形和非对称变形。此外，传统的SMP有一个严重的缺点：不可逆转换性，这限制了其对活性超材料的可再配置性。

在此，来自上海交大的研究人员构造并演示了一种允许单一材料系统进行可逆、多模态和非对称变形的热机械工具。利用相变助剂(TA)，提出了与晶格交换能量的局域预应力和随温度变化的逆应力等概念。单个形状记忆合金系统通过局域预应力和逆应力从TA中交换能量的变形可以转化为可逆的、多模态的、非对称的形状锁定变形。该方法可用于可重构结构、调谐对称性和手性，特别适用于有源声学超材料、可展开器件和生物医学器件。相变助剂(TA)局部变形的力学启发设计方法以及与晶格随温度变化的应力降的相互作用，为热触发活性超材料的稳健设计开辟了一条新的途径。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202101395

本文证明了单个形状记忆合金系统通过局域预应力和逆应力将能量从TA转换为可逆、多模态、混合模态和多步变形，同时通过形状锁定保持其结构的稳定性。热机械变形还会产生对称性破坏，从而提供可调谐特性和功能的可能性。由热机械能交换分析模型建立的设计图可以指导晶格的可调谐变形。可替换的TA是多用途的，可重新配置成复杂的形状，如混合模式和功能梯度结构。使用晶格基础材质的形状记忆等，我们可以重置先前的变换，从而使用另一组TA实现新的变形。本文的方法可用于可重构结构、调谐对称性和手性，尤其适用于有源声学超材料、可展开器件和生物医学器件。TA局部变形的力学启发设计方法及其与晶格随温度变化的应力降的相互作用为热触发活性超材料的稳健设计开辟了一条新的途径。（文：SSC）

图1.通过选择性能量交换和形状记忆等方法，热力学触发了具有单一材料体系的晶格的可逆、多模和混合模变形。

图2.(A)和(B)变形前后TA的代表性梁和晶格；黄色曲线梁表示用TPU制成的TA，蓝色直梁表示用PLA制成的晶格。

图3.a)模式1的晶格(l_p)和TA(l_t)所需的光束长度；b)在步骤1中组装后的晶格(蓝色)和TA(黄色)的几何形状。

图4.可热重新配置的三角形(手性)、正方形(手性和非手性)和六边形(手性和非手性)晶格的实验和模拟

图5.形状记忆等恢复：a)恢复转变的概念；b)在热机械循环的温度-应变-应力图上的恢复步骤；c)冷却和拆卸后的变形晶格和重新加热到TH后具有形状记忆等的恢复晶格示意图。

图6.具有混合模式TA、三角形(a)、正方形(b)和六边形(c)晶格的混合模式变形示意图