新型熱膨脹超材料實現“冷脹熱縮”“零脹零縮”

科技日報訊 （記者陳曦 通訊員王鶴立）12月19日，記者從天津大學獲悉，該校機械工程學院陳焱教授團隊聯合英國索爾福德大學魏國武教授和英國牛津大學由衷教授，基於單自由度剪紙截角八面體結構，設計出一系列三維熱膨脹超材料，實現了三維尺度下超大範圍的“冷脹熱縮”，甚至“零脹零縮”，並在單一超材料中同時實現了三維正交方向上各向異性可獨立編程的負/零/正熱膨脹響應。該成果在線發表在國際期刊《先進材料》上。

據介紹，熱脹冷縮是自然材料正常表現，但熱膨脹會導致材料發生大變形，引起結構損壞或精度損失。機械超材料是一種新型人造材料，通過基礎材料的特殊拓撲分佈來突破自然規律的限制，實現天然材料所不具備的超常物理特性。但現有機械超材料只能實現較小範圍的負熱膨脹。

團隊利用剪紙原理設計了可以收縮膨脹的截角八面體剪紙單胞，其巧妙之處在於多面體中的兩類面板夾角在整個運動過程中始終保持相同的差值。因此在多面體摺痕處佈置雙金屬片（兩個不同的金屬材料層具有不同的熱膨脹係數），利用其受熱產生正向或反向彎曲變形，帶動多面體結構變形。

當雙金屬片發生正向彎曲時，胞元結構被摺疊收縮，整體超材料表現負熱膨脹的特性；反之，雙金屬片反向彎曲，胞元結構膨脹，超材料則表現為正熱膨脹的特性。為了獲得零熱膨脹超材料，可以用胞元的負熱膨脹變形抵消基體材料的正熱膨脹，從而使整體超材料表現出零熱膨脹的特性；或者將多個負熱膨脹與正熱膨脹的單胞交替排列，通過細緻的編程設計獲得整體超材料宏觀層面上的零熱膨脹響應。另外，通過調節各個方向上單胞的幾何參數，在三個正交方向上實現了不同熱膨脹係數的可控設計。