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具有負泊松比與負膨脹系數(shù)的新型雙負超材料

更新時間:2022-04-01點擊次數(shù):1074

負泊松比材料在受到壓縮載荷時橫向收縮,負熱膨脹系數(shù)材料在受熱時發(fā)生收縮現(xiàn)象。而負泊松比和負熱膨脹系數(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泊松比與負熱膨脹系數(shù)的雙負超材料(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)的負泊松比,研究者分別在結(jié)構(gòu)和排列方式上進行了創(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/位移載荷時呈現(xiàn)出內(nèi)凹變形機制,從而表現(xiàn)出負泊松比。

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。


為了得到負熱膨脹系數(shù),在一個結(jié)構(gòu)中引入了兩種熱膨脹系數(shù)不同的材料(圖1a)。藍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)值模擬對新構(gòu)型超材料的負熱膨脹系數(shù)進行了驗證。在加熱時紅色的桿因為需要伸長的更多而使得垂直方向藍色的桿發(fā)生彎曲,從而減小了整個結(jié)構(gòu)所占有的空間,表現(xiàn)出負的熱膨脹系數(shù)(圖2)。

圖2新構(gòu)型超材料受熱變形圖。


為了驗證該超材料的負泊松比行為,研究者們采用摩方P130 打印機對材料進行了制備。并用試驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對其負泊松比行為進行了驗證,兩者吻合的較好。由于材料打印的尺寸在微米級別,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打印機精度高達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)高強力學(xué)超材料,具有超輕質(zhì)量和超高強度。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(圖中微點陣結(jié)構(gòu),最小桿徑8 μm)。

BMF nanoArch® P130打印系統(tǒng)