供稿人：万坤 李涤尘 曹毅 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：2023-06-12
随着技术的发展，包括精密制造和复杂机械系统在内的高精度设备需要更好的稳定性来抵抗热和机械扰动。机械超材料的出现提供了一种解决该问题的方案，通过设计一些特殊微结构可以使材料实现许多反直觉变形，例如，负泊松比（NPR）及负热膨胀（NTE）。其中，NPR材料具有良好的抗压强度和高冲击能量吸收特性，而NTE材料可通过与正热膨胀（PTE）材料结合来消除热应力。许多工作已经证明了NPR或NTE的各种设计，如手性结构和蜂窝结构被提出可同时拥有NPR和NTE。然而，这些关于双重反直觉变形的开创性工作大多基于理论分析和仿真，相应的实验研究还很少。此外，以往的工作集中于各向同性甚至是单方向上的热变形调节，而材料在真实环境中承受的热应力非常复杂，并且常伴随着机械扰动。因此，对各向同性的单个机械变形和热变形的研究远不能满足当前应用中的复杂要求。
北京科技大学的白洋团队开发了基于手性和反手性结构的可编程机械超材料，该结构由弯曲的双材料肋单元构成，表现出了可控的NPR及热膨胀变形。其中，超材料的热膨胀取决于其内所包含的双材料肋的材料种类、肋的几何参数；超材料的NPR主要由肋的弧度决定。通过多材料3D打印制造了所设计的机械超材料，如图1所示其表现出了与有限元分析结果一致的反直觉变形行为。
（a）NPR行为（b）NTE行为
图1. 手性和反手性结构反直觉变形的有限元分析和实验结果
此外，机械超材料不在拘泥于以往的各向同性或者单向的热变形，其可通过双材料肋的异质组合来使超材料展示出结合均匀、梯度及剪切形式的各向异性的热变形模式。并基于像素化和代码设计实现了如图2所示的具有定制参数的任意各向异性热变形，以适应任何形式的热应变并消除热应力。
图2. 基于改进反手性结构的任意热变形超材料
作者所设计的可编程NPR和多模热变形的二维机械超材料不仅具有可调值的NPR，还可以表现出CTE在负值、接近零值和正值范围内的各向同性热变形，以及结合均匀、剪切和梯度形式的各向异性热变形。可用于特定的工程应用，包括消除热应力、形状变形和智能致动器等。