供稿人：康友伟、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-03-01
具有零或负热膨胀行为的超材料在高温或超高温工作的结构或器件方面具有巨大的应用潜力。例如，地球轨道卫星中使用的卫星天线及其支撑结构通常在阳光直射到阴影之间循环工作，这导致卫星的温度变化很大，影响了卫星天线及其支撑结构的精度。因此，迫切需要具有可定制，特别是零热膨胀系数（CTE）的超材料。过往研究的超材料通常是基于聚合物或金属设计的，它们不能在非常高的温度下工作。因此，有必要开发可在高温或较大温度变化下工作的具有可控热膨胀行为的超材料。北京理工大学的研究团队设计并制造了由氧化铝和氧化锆组成的陶瓷超材料，研究了可编程热膨胀系数的理论基础，实现了具有负、零和正热膨胀的3D桁架陶瓷超材料。
本研究针对四棱锥桁架结构，分别对不同的边赋予不同CTE的材料进行了理论计算，研究了三种结构的角度θ对CTE的影响规律，角度θ为三棱锥棱边与底边的夹角。研究发现当几何参数角度 ( θ) 为常数，QP-3结构超材料的可定制CTE范围最大，QP-1结构超材料次之；QP-2 结构的超材料是最小的。
为验证设计的可靠性，基于QP-3结构，研究团队使用氧化铝和氧化锆材料通过立体光刻增材制造的方法制造了具有负、零和正热膨胀的3D桁架陶瓷超材料，如图1所示，并使用基于非接触数字图像技术（DIC）开发的定制测试系统测量了该结构在不同角度θ下的热膨胀。
图1 多材料QP-3结构的陶瓷超材料单元
热变形测量结果显示，所设计的θ为 50.8° 的多陶瓷 QP-3 结构的DIC计算热应变小于零，并且随着温度的升高而减小，说明结构表现出负热膨胀行为。θ为55.5°时，结构的热应变接近于零，仅随温度升高而略有变化，表明该结构表现出零或接近零的热膨胀行为。然而，θ为35.5°的多陶瓷QP-3结构超材料的热应变大于零，并且随着温度的升高而增加，表明该结构表现出正热膨胀行为。对比实验结果和设计结果，只发现了很小的误差，实验测量结果与理论设计吻合。