一種兼具負(fù)泊松比和負(fù)熱膨脹特性的新型超材料

供稿人：關(guān)志強(qiáng)、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)

超材料是指具有泊松比（PR）、熱膨脹系數(shù)（CTE）、可壓縮性等特定物理性能負(fù)指數(shù)的獨(dú)特材料，由于其反直覺的變形特性，在提高機(jī)械、熱等性能方面具有很大的優(yōu)勢。例如，負(fù)泊松比（NPR）超材料在縱向拉伸下橫向發(fā)生擴(kuò)張而非收縮變形，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗剪剛度、抗壓痕性、斷裂韌性等。與僅表現(xiàn)出單一負(fù)性能的超材料相比，同時(shí)具有NPR和可控CTE的超材料為多物理場提供了更多選擇。這類超材料有潛力應(yīng)用于機(jī)械和熱場設(shè)備，如可展開空間結(jié)構(gòu)中的太陽能電池板和用于高速列車的無間隙軌道。許多工作從拓?fù)湓O(shè)計(jì)、變形機(jī)理和理論建模等方面報(bào)道了這類超材料，然而當(dāng)前研究只給出了超材料的特殊構(gòu)型，設(shè)計(jì)包含NPR和可控CTE超材料的基本規(guī)則尚未報(bào)道。

中南大學(xué)的王忠剛團(tuán)隊(duì)基于莫爾定理建立了一套超材料的基本設(shè)計(jì)規(guī)則，提出了如圖1所示雙材料組成的兼具負(fù)泊松比和負(fù)熱膨脹特性的新型星形超材料。以圖1（a）為例，隨著溫度的升高，由于材料的熱變形不相容，超材料單胞在x和z方向上發(fā)生了熱收縮。同時(shí)在重入和壓縮-膨脹機(jī)制的混合作用，單元胞在三個(gè)主要方向上呈現(xiàn)NPR。

（a）X、Z熱收縮超材料單胞（b）Y熱收縮超材料單胞（c）超材料的幾何參數(shù)

圖1 超材料原理圖

此外，作者應(yīng)用超靜定結(jié)構(gòu)的方法預(yù)測了單胞在不同方向上的變形，采用莫爾定理計(jì)算了單胞內(nèi)各支柱上的彎矩、軸向力和剪切力，從而建立了預(yù)測超結(jié)構(gòu)單胞性質(zhì)的理論模型。并使用數(shù)值仿真的方法對(duì)理論模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示，數(shù)值仿真的CTE、彈性特性均與理論模型的計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖2 理論計(jì)算模型和數(shù)值仿真結(jié)果的比較

作者依據(jù)所提出的超材料設(shè)計(jì)基本規(guī)則建立了一種結(jié)合NPR和NTE的新型超材料的理論力學(xué)模型和熱力學(xué)模型，且有限元分析結(jié)果吻合效果較好。所述超材料在CTE和PR中顯示出了廣泛的可調(diào)性，在熱學(xué)和機(jī)械應(yīng)用中具有極大的潛力，例如需要NTE的熱致動(dòng)器，可展開的空間結(jié)構(gòu)，傳感器和牙科填充物等。

參考文獻(xiàn)：
Lumin Shen, Kai Wei, Ke Yuan, et al. A novel metamaterial incorporating both auxeticity and thermal shrinkage [J]. International Journal of Mechanical Sciences. 2022,233,107650.