Advanced Materials:具有特异热致变形能力的二维超材料

“热胀冷缩”是自然界材料的最普遍性质及最基本的物理现象。如何通过结构的设计、优化,使材料/结构具备反常的热学特性,不仅具有较强科学意义,同时也具备一定的工程价值(如零膨胀结构)。因此,具有较大热膨胀系数调控区间以及特异热膨胀行为的超材料一直是当前研究的热点问题之一。近年来,国内外众多学者设计并实现了具有不同的结构形式的二维/三维力学超材料设计,大大拓宽了结构热膨胀系数的调控范围(如近零膨胀设计或负热膨胀设计),但当前针对具有特异变形形式的力学超材料研究较少,仅有的一些工作基本局限于理论设计或大尺度的范式研究。目前,对于亚毫米尺度的力学超材料的加工与制备仍然较为困难。

美国西北大学John Rogers课题组与清华大学张一慧课题组联合设计并制备了一种具有特异热膨胀变形性能的二维超材料。 利用激光微型加工等制备工艺,将两种具有不同热膨胀系数的材料-驱动材料及支撑材料集成,基于热应变失配原理,实现复合梁结构的热失配变形,实现整体结构的热变形调控。研究采用马蹄形胞元设计,对复合曲梁的半径、驱动层及支撑层厚度比、驱动材料覆盖角度以及位置等设计参数的优化,有限元分析、理论预测及实验结构均表明:新设计超材料的双向热膨胀系数能够在-850-1100 ppm之间精确、连续调控。通过对马蹄形胞元内不同曲梁驱动材料覆盖角度及位置的独立调控,实现了超材料的特异热致变形,包括单向热膨胀(CTEx≈0,CTEy≈1050ppm),热致剪切变形(∆θ=4.7°,∆T=80℃),以及热致弯曲变形等,极大的丰富了超材料的变形形式。此外,通过改变二维超材料的驱动层及支撑层的截面厚度比(如1:2),利用结构在厚度方向的热失配变形,实现了二维超材料的热致面外弯曲变形(∆θ=60°,∆T=100℃)。此外,研究表明,结合焦耳热原理,利用溅射在表面的金属薄膜可以实现超材料的电控可逆变形,且响应时间<1秒。这种基于复合曲梁,到马蹄形胞元,再到二维超材料的多层级(hierarchical)设计方法实现的特异热致变形特性极大地丰富了连续介质力学中复杂应变场设计的可能性。

相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905405)上。相关工作得到了美国ARO MURI 项目,中国国家自然科学基金等项目的支持。美国西北大学倪小越和北京理工大学郭晓岗为本研究共同第一作者,清华大学长聘副教授张一慧和美国西北大学冠名教授John Rogers为本文的共同通讯作者。