Advanced Materials:具有极大热变形调控能力的多层级剪纸型超材料设计

如何通过结构的力学设计、优化,使采用传统工程材料制备的超结构具备较大的热膨胀系数调控区间及反常的热膨胀特性(如零膨胀、负膨胀),不仅具有较强的科学研究价值,同时也具备一定的工程应用意义。如何在传统工程材料框架体系下使超结构具备极大热膨胀变形能力一直是当前研究的热点问题之一。近年来,国内外学者及研究机构围绕该问题开展了较为丰富的研究工作,并取得了一系列研究成果。发展了包括弯曲型、拉伸型、拓扑优化、晶格调控等多种超结构/材料设计、调控策略,实现了超结构/材料的热膨胀变形在一定范围内可调。分析表明:当前具有特异热变形特性的超结构设计,难以实现结构大填充率(如>10%)、较大CTE调控区间(如-2000ppm/K至2000ppm/K)、优异热变形能力(如>10%)的兼容。

清华大学张一慧课题组与美国西北大学John Rogers课题组合作设计并制备了一种具有极大热变形调控能力的多层级剪纸型二维力学超材料。基于传统工程材料的新型超材料,不仅具备极大的热变形调控能力(试验测试双向CTE调控区间为-5950ppm/K至10710ppm/K,是目前报道的最优测试结果),同时兼具优异的填充率(>50%)及热变形能力(>21%)。

受剪纸工艺启发,本研究发展了一种多层级剪纸型超材料力学设计方法,并完成了结构制备与测试。系统研究了多层级结构中基本驱动单元驱动材料(具有较大热膨胀系数)及支撑材料(具有较小热膨胀系数)集成分布区域、长度比、宽度比,胞元中结构长度比、梯度角等对超结构等效热膨胀系数的影响规律,建立了描述上述关系的力学理论分析模型,结合有限元分析模拟结果及试验测试结果,表明:新设计的超结构不仅具备极大的热膨胀系数正负调控区间,同时超结构具有优异的填充率(>50%)及热变形许可能力(>20%)。特别指出的是,经试验验证,本研究提出的超材料的双向CTE调控区间为-5950ppm/K至10710ppm/K,单向CTE调控区间为-11550ppm/K至26110ppm/K,是目前已知的最优测试结果,其中双向CTE更是实现了数量级提升(前期最优结果为-966ppm/K至1050ppm/K),大大延拓了具有特异热变形特性超结构的设计空间。

相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202004919)上,并被选为当期封面文章(Front Cover)。

相关工作得到了中国国家自然科学基金,清华大学自主科研计划,美国ARO MURI 等项目支持。

清华大学博士后郭晓岗(现为北京理工大学副教授),美国西北大学博士后倪小越和美国西北大学硕士研究生李嘉鸿为本文共同第一作者,美国西北大学John Rogers教授和清华大学张一慧教授为本文共同通讯作者。