供稿人：鄭譽 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-06-15
在自然界中絕大多數(shù)物質(zhì)會呈現(xiàn)“熱脹冷縮”的現(xiàn)象，材料的“熱脹冷縮”屬性會對精密部件的功能性、安全性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。例如，航天器的熱防護系統(tǒng)再入大氣時表面溫度可達上千攝氏度，溫度的劇烈變化會導(dǎo)致不同材料之間熱變形的不匹配。因此，零熱膨脹超結(jié)構(gòu)的開發(fā)具有重要意義。西北工業(yè)大學(xué)梅輝課題組[1]通過前驅(qū)體熱解制備了SiOC負泊松比結(jié)構(gòu)，其顯示出近零膨脹行為和優(yōu)秀的力學(xué)性能，為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定提供了有效的解決途徑。
該研究設(shè)計了分辨率為200μm的負泊松比結(jié)構(gòu)，以改性甲基倍半硅氧烷樹脂（MK，Wacker Chemie）為原材料，使用具有405nm UV光源的還原光聚合打印機（VP，CeraForm100，Longer 3D）來3D打印數(shù)字模型。所得預(yù)成型體在氬氣氣氛中在900℃下熱解，以獲得致密的SiOC陶瓷結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝如圖1所示。
圖1 （a）負泊松比氣體傳感結(jié)構(gòu)的制造工藝；（b）-（e）不同折疊角度結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型； （f）-（i）具有不同折疊角度的SiOC結(jié)構(gòu)的SEM圖像
該研究報告了一種負泊松比結(jié)構(gòu)。使用該結(jié)構(gòu)，通過前驅(qū)體熱解制備了剛性和無裂紋的SiOC樣件。折疊角度為45°時在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出接近零的膨脹行為，CTE為0.71×10?6/K，這是由于容納熱應(yīng)力的單元的獨立膨脹。它還表現(xiàn)出最佳的機械性能，抗壓強度和楊氏模量分別為51.25MPa和5.14GPa。該研究為在高溫環(huán)境下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)零膨脹提供了一種解決方案。