12月19日，記者從天津大學(xué)獲悉，該校機械工程學(xué)院陳焱教授團隊聯(lián)合英國索爾福德大學(xué)魏國武教授和英國牛津大學(xué)由衷教授，基于單自由度剪紙截角八面體結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一系列三維熱膨脹超材料，實現(xiàn)了三維尺度下超大范圍的“冷脹熱縮”，甚至“零脹零縮”，并在單一超材料中同時實現(xiàn)了三維正交方向上各向異性可獨立編程的負/零/正熱膨脹響應(yīng)。該成果在線發(fā)表在國際期刊《先進材料》上。
據(jù)介紹，熱脹冷縮是自然材料正常表現(xiàn)，但熱膨脹會導(dǎo)致材料發(fā)生大變形，引起結(jié)構(gòu)損壞或精度損失。機械超材料是一種新型人造材料，通過基礎(chǔ)材料的特殊拓撲分布來突破自然規(guī)律的限制，實現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理特性。但現(xiàn)有機械超材料只能實現(xiàn)較小范圍的負熱膨脹。
團隊利用剪紙原理設(shè)計了可以收縮膨脹的截角八面體剪紙單胞，其巧妙之處在于多面體中的兩類面板夾角在整個運動過程中始終保持相同的差值。因此在多面體折痕處布置雙金屬片（兩個不同的金屬材料層具有不同的熱膨脹系數(shù)），利用其受熱產(chǎn)生正向或反向彎曲變形，帶動多面體結(jié)構(gòu)變形。
當雙金屬片發(fā)生正向彎曲時，胞元結(jié)構(gòu)被折疊收縮，整體超材料表現(xiàn)負熱膨脹的特性；反之，雙金屬片反向彎曲，胞元結(jié)構(gòu)膨脹，超材料則表現(xiàn)為正熱膨脹的特性。為了獲得零熱膨脹超材料，可以用胞元的負熱膨脹變形抵消基體材料的正熱膨脹，從而使整體超材料表現(xiàn)出零熱膨脹的特性；或者將多個負熱膨脹與正熱膨脹的單胞交替排列，通過細致的編程設(shè)計獲得整體超材料宏觀層面上的零熱膨脹響應(yīng)。另外，通過調(diào)節(jié)各個方向上單胞的幾何參數(shù)，在三個正交方向上實現(xiàn)了不同熱膨脹系數(shù)的可控設(shè)計。（記者陳曦 通訊員王鶴立）
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