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(xué)獲悉，該校機(jī)械工程學(xué)院陳焱教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國索爾福德大學(xué)魏國武教授和英國牛津大學(xué)由衷教授，基于單自由度剪紙截角八面體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一系列三維熱膨脹超材料，實(shí)現(xiàn)了三維尺度下超大范圍的“冷脹熱縮”，甚至“零脹零縮”，并在單一超材料中同時實(shí)現(xiàn)了三維正交方向上各向異性可獨(dú)立編程的負(fù)/零/正熱膨脹響應(yīng)。該成果在線發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)材料》上。

據(jù)介紹，熱脹冷縮是自然材料正常表現(xiàn)，但熱膨脹會導(dǎo)致材料發(fā)生大變形，引起結(jié)構(gòu)損壞或精度損失。機(jī)械超材料是一種新型人造材料，通過基礎(chǔ)材料的特殊拓?fù)浞植紒硗黄谱匀灰?guī)律的限制，實(shí)現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理特性。但現(xiàn)有機(jī)械超材料只能實(shí)現(xiàn)較小范圍的負(fù)熱膨脹。

團(tuán)隊(duì)利用剪紙?jiān)碓O(shè)計(jì)了可以收縮膨脹的截角八面體剪紙單胞，其巧妙之處在于多面體中的兩類面板夾角在整個運(yùn)動過程中始終保持相同的差值。因此在多面體折痕處布置雙金屬片（兩個不同的金屬材料層具有不同的熱膨脹系數(shù)），利用其受熱產(chǎn)生正向或反向彎曲變形，帶動多面體結(jié)構(gòu)變形。

當(dāng)雙金屬片發(fā)生正向彎曲時，胞元結(jié)構(gòu)被折疊收縮，整體超材料表現(xiàn)負(fù)熱膨脹的特性；反之，雙金屬片反向彎曲，胞元結(jié)構(gòu)膨脹，超材料則表現(xiàn)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(fù)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(xiàn)出零熱膨脹的特性；或者將多個負(fù)熱膨脹與正熱膨脹的單胞交替排列，通過細(xì)致的編程設(shè)計(jì)獲得整體超材料宏觀層面上的零熱膨脹響應(yīng)。另外，通過調(diào)節(jié)各個方向上單胞的幾何參數(shù)，在三個正交方向上實(shí)現(xiàn)了不同熱膨脹系數(shù)的可控設(shè)計(jì)。

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