具有負(fù)泊松比與負(fù)膨脹系數(shù)的新型雙負(fù)超材料

負(fù)泊松比材料在受到壓縮載荷時(shí)橫向收縮，負(fù)熱膨脹系數(shù)材料在受熱時(shí)發(fā)生收縮現(xiàn)象。而負(fù)泊松比和負(fù)熱膨脹系數(shù)相結(jié)合的新型超材料為材料的特殊需求提供了進(jìn)一步的可能性。

香港城市大學(xué)深圳研究院介紹了一種具有負(fù)泊松比與負(fù)熱膨脹系數(shù)的雙負(fù)超材料（Extreme Mechanics Letters, 2019）。這種新型超材料基于傳統(tǒng)的星型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。為了提高該結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比，研究者分別在結(jié)構(gòu)和排列方式上進(jìn)行了創(chuàng)新。這種結(jié)構(gòu)和排列上的創(chuàng)新使得超材料在受到外界力/位移載荷時(shí)呈現(xiàn)出內(nèi)凹變形機(jī)制，從而表現(xiàn)出負(fù)泊松比。

圖1(a), (b)新構(gòu)型超材料的結(jié)構(gòu)以及(c), (d)兩種不同的排列方式。

為了得到負(fù)熱膨脹系數(shù)，在一個(gè)結(jié)構(gòu)中引入了兩種熱膨脹系數(shù)不同的材料（圖1a）。藍(lán)色的桿的熱膨脹系數(shù)較小，而紅色的桿熱膨脹系數(shù)較大。研究者用大量的數(shù)值模擬對(duì)新構(gòu)型超材料的負(fù)熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在加熱時(shí)紅色的桿因?yàn)樾枰扉L(zhǎng)的更多而使得垂直方向藍(lán)色的桿發(fā)生彎曲，從而減小了整個(gè)結(jié)構(gòu)所占有的空間，表現(xiàn)出負(fù)的熱膨脹系數(shù)（圖2）。

圖2新構(gòu)型超材料受熱變形圖。

為了驗(yàn)證該超材料的負(fù)泊松比行為，研究者們采用摩方P130 打印機(jī)對(duì)材料進(jìn)行了制備。并用試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)其負(fù)泊松比行為進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者吻合的較好。由于材料打印的尺寸在微米級(jí)別，這也為材料在聲學(xué)、光學(xué)等方面的應(yīng)用提供了可能性。

圖3新構(gòu)型超材料電鏡觀測(cè)圖以及受力變形圖。

該研究工作發(fā)表于Extreme Mechanics Letters，香港城市大學(xué)深圳研究院陸洋老師為通訊作者。

摩方nanoArch® P130打印的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，最小桿徑8 μm。

深圳摩方材料科技有限公司持續(xù)助力香港城市大學(xué)深圳研究院在超材料領(lǐng)域的研究及應(yīng)用，其自主研發(fā)的nanoArch® P130 3D打印機(jī)精度高達(dá)2微米。除上述研究工作中的超材料應(yīng)用外，另一重要的應(yīng)用是輕質(zhì)高強(qiáng)力學(xué)超材料，具有超輕質(zhì)量和超高強(qiáng)度。其優(yōu)異的力學(xué)性能得益于其中的微晶格結(jié)構(gòu)，如上圖所示，這些微晶格結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的二維制造技術(shù)無(wú)法加工制作，而摩方的微尺度3D打印技術(shù)則可以快速高效加工出這種復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)，且具有*的打印分辨率（圖中微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，最小桿徑8 μm）。

BMF nanoArch® P130打印系統(tǒng)