中宏网天津12月19日电 机械超材料是一种新型人造材料，通过基础材料的特殊拓扑分布设计来突破自然规律的限制，实现天然材料所不具备的超常物理性质。热胀冷缩是自然材料通常的表现，但是热膨胀会导致材料发生大变形，引发结构损坏或者精度无法保持。现有的机械超材料只能实现较小范围的负热膨胀。近日天津大学机械工程学院陈焱教授团队联合英国索尔福德大学魏国武教授和英国牛津大学由衷教授，基于单自由度剪纸截角八面体机构，设计出一系列三维热膨胀超材料，实现了三维尺度下超大范围的“冷胀热缩”，甚至“零胀零缩”，并在单一超材料中同时实现了三维正交方向上各向异性可独立编程的负/零/正热膨胀响应。该成果不久前在线发表于国际权威期刊《先进材料》（《Advanced Materials》）。

课题组利用剪纸原理设计了单自由度的截角八面体剪纸单胞，运动过程表现为胞元整理的收缩与膨胀，表现出负泊松比特性，其巧妙之处在于多面体中的两类面板夹角在整个运动过程中始终保持相同差值的简单线性关系。在剪纸多面体折痕处布置双金属片（两个不同的金属材料层具有不同的热膨胀系数），利用其受热产生正向或反向弯曲变形，带动多面体胞元结构变形。当双金属片发生正向弯曲时，胞元结构被折叠收缩，因此整体超材料表现负热膨胀的特性；反之，双金属片发生反向弯曲，胞元结构被展开膨胀，超材料则表现正热膨胀的特性。当胞元结构正交对称时，超材料热膨胀在三个正交方向上保持一致和均匀，即各项同性。通过调节双金属片的厚度等设计参数，能够得到非常大的热膨胀系数调控区间：-2354.3~3006.7×10-6/°C。为了获得零热膨胀超材料，可以用胞元的负热膨胀变形抵消基体材料的正热膨胀，从而使整体超材料表现出零热膨胀的特性；或者将多个负热膨胀与正热膨胀的单胞交替排列组合，同时考虑基础材料的热膨胀，通过细致的编程设计获得整体超材料宏观层面上的零热膨胀响应。解决了各向同性的受热响应问题后，他们又将目光转投向各向异性单胞。通过调节各个方向上单胞的几何参数，在三个正交方向上实现了不同热膨胀系数的可控设计。将负热膨胀和正热膨胀的各向异性单胞进行交替组合排布，并经过精准的建模设计，首次在单一超材料的三个正交方向上同时实现了负/零/正热膨胀响应，可以应对特殊应用场景中对材料受热响应的方向性需求。

该研究论文共同通讯作者为天津大学陈焱教授、马家耀教授，共同第一作者为天津大学博士后顾元庆、博士生魏志波。研究提出的热膨胀超材料设计框架有望在空间光学系统、热致动器、微型机电系统等跨大温域运行的工程领域得到应用。（中宏网特约作者王敏报道 天津大学/文 王鹤立 图/刘晓艳提供）

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（编辑 刘延俊 来瑞兮）