新型热膨胀超材料实现“冷胀热缩”“零胀零缩”

科技日报讯 （记者陈曦 通讯员王鹤立）12月19日，记者从天津大学获悉，该校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结构，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。该成果在线发表在国际期刊《先进材料》上。

据介绍，热胀冷缩是自然材料正常表现，但热膨胀会导致材料发生大变形，引起结构损坏或精度损失。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特性。但现有机械超材料只能实现较小范围的负热膨胀。

团队利用剪纸原理设计了可以收缩膨胀的截角八面体剪纸单胞，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的差值。因此在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，整体超材料表现负热膨胀的特性；反之，双金属片反向弯曲，胞元结构膨胀，超材料则表现为正热膨胀的特性。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，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。另外，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。