一種兼具負泊松比和負熱膨脹特性的新型超材料

供稿人：關志強、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

超材料是指具有泊松比（PR）、熱膨脹系數(shù)（CTE）、可壓縮性等特定物理性能負指數(shù)的獨特材料，由于其反直覺的變形特性，在提高機械、熱等性能方面具有很大的優(yōu)勢。例如，負泊松比（NPR）超材料在縱向拉伸下橫向發(fā)生擴張而非收縮變形，從而提高了結構的抗剪剛度、抗壓痕性、斷裂韌性等。與僅表現(xiàn)出單一負性能的超材料相比，同時具有NPR和可控CTE的超材料為多物理場提供了更多選擇。這類超材料有潛力應用于機械和熱場設備，如可展開空間結構中的太陽能電池板和用于高速列車的無間隙軌道。許多工作從拓撲設計、變形機理和理論建模等方面報道了這類超材料，然而當前研究只給出了超材料的特殊構型，設計包含NPR和可控CTE超材料的基本規(guī)則尚未報道。

中南大學的王忠剛團隊基于莫爾定理建立了一套超材料的基本設計規(guī)則，提出了如圖1所示雙材料組成的兼具負泊松比和負熱膨脹特性的新型星形超材料。以圖1（a）為例，隨著溫度的升高，由于材料的熱變形不相容，超材料單胞在x和z方向上發(fā)生了熱收縮。同時在重入和壓縮-膨脹機制的混合作用，單元胞在三個主要方向上呈現(xiàn)NPR。

（a）X、Z熱收縮超材料單胞（b）Y熱收縮超材料單胞（c）超材料的幾何參數(shù)

圖1 超材料原理圖

此外，作者應用超靜定結構的方法預測了單胞在不同方向上的變形，采用莫爾定理計算了單胞內(nèi)各支柱上的彎矩、軸向力和剪切力，從而建立了預測超結構單胞性質的理論模型。并使用數(shù)值仿真的方法對理論模型的準確性進行了相應的驗證，結果如圖2所示，數(shù)值仿真的CTE、彈性特性均與理論模型的計算結果吻合較好。

圖2 理論計算模型和數(shù)值仿真結果的比較

作者依據(jù)所提出的超材料設計基本規(guī)則建立了一種結合NPR和NTE的新型超材料的理論力學模型和熱力學模型，且有限元分析結果吻合效果較好。所述超材料在CTE和PR中顯示出了廣泛的可調性，在熱學和機械應用中具有極大的潛力，例如需要NTE的熱致動器，可展開的空間結構，傳感器和牙科填充物等。

參考文獻：
Lumin Shen, Kai Wei, Ke Yuan, et al. A novel metamaterial incorporating both auxeticity and thermal shrinkage [J]. International Journal of Mechanical Sciences. 2022,233,107650.