供稿人：萬坤 李滌塵 曹毅 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 發(fā)布日期：2023-06-12
隨著技術(shù)的發(fā)展，包括精密制造和復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)在內(nèi)的高精度設(shè)備需要更好的穩(wěn)定性來抵抗熱和機(jī)械擾動(dòng)。機(jī)械超材料的出現(xiàn)提供了一種解決該問題的方案，通過設(shè)計(jì)一些特殊微結(jié)構(gòu)可以使材料實(shí)現(xiàn)許多反直覺變形，例如，負(fù)泊松比（NPR）及負(fù)熱膨脹（NTE）。其中，NPR材料具有良好的抗壓強(qiáng)度和高沖擊能量吸收特性，而NTE材料可通過與正熱膨脹（PTE）材料結(jié)合來消除熱應(yīng)力。許多工作已經(jīng)證明了NPR或NTE的各種設(shè)計(jì)，如手性結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)被提出可同時(shí)擁有NPR和NTE。然而，這些關(guān)于雙重反直覺變形的開創(chuàng)性工作大多基于理論分析和仿真，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究還很少。此外，以往的工作集中于各向同性甚至是單方向上的熱變形調(diào)節(jié)，而材料在真實(shí)環(huán)境中承受的熱應(yīng)力非常復(fù)雜，并且常伴隨著機(jī)械擾動(dòng)。因此，對各向同性的單個(gè)機(jī)械變形和熱變形的研究遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前應(yīng)用中的復(fù)雜要求。
北京科技大學(xué)的白洋團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于手性和反手性結(jié)構(gòu)的可編程機(jī)械超材料，該結(jié)構(gòu)由彎曲的雙材料肋單元構(gòu)成，表現(xiàn)出了可控的NPR及熱膨脹變形。其中，超材料的熱膨脹取決于其內(nèi)所包含的雙材料肋的材料種類、肋的幾何參數(shù)；超材料的NPR主要由肋的弧度決定。通過多材料3D打印制造了所設(shè)計(jì)的機(jī)械超材料，如圖1所示其表現(xiàn)出了與有限元分析結(jié)果一致的反直覺變形行為。
（a）NPR行為（b）NTE行為
圖1. 手性和反手性結(jié)構(gòu)反直覺變形的有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
此外，機(jī)械超材料不在拘泥于以往的各向同性或者單向的熱變形，其可通過雙材料肋的異質(zhì)組合來使超材料展示出結(jié)合均勻、梯度及剪切形式的各向異性的熱變形模式。并基于像素化和代碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的具有定制參數(shù)的任意各向異性熱變形，以適應(yīng)任何形式的熱應(yīng)變并消除熱應(yīng)力。
圖2. 基于改進(jìn)反手性結(jié)構(gòu)的任意熱變形超材料
作者所設(shè)計(jì)的可編程N(yùn)PR和多模熱變形的二維機(jī)械超材料不僅具有可調(diào)值的NPR，還可以表現(xiàn)出CTE在負(fù)值、接近零值和正值范圍內(nèi)的各向同性熱變形，以及結(jié)合均勻、剪切和梯度形式的各向異性熱變形。可用于特定的工程應(yīng)用，包括消除熱應(yīng)力、形狀變形和智能致動(dòng)器等。