具有特殊设计单元的机械超材料可以为各种应用提供不同寻常的热膨胀性能。由于现有的热膨胀超材料可用的胞体拓扑很少，且结构变形非线性复杂，大多数材料只能在温和的范围内实现正交各向同性负/零/正热膨胀（NTE/ZTE/PTE），尤其是3D热膨胀超材料。
近日，天津大学Jiayao Ma、Yan Chen团队基于运动学设计策略提出了一自由度kirigami多面体，开发了一系列具有可编程NTE、PTE甚至超宽范围ZTE功能的三维各向同性和正交异性超材料。采用双材料带作为各向同性多面体的折痕，设计了热膨胀系数（cte）范围为-2354.3至3006.7ppm/°C的NTE和PTE超材料。同时，各向同性的ZTE超材料可以通过ZTE单元的均匀镶嵌或NTE和PTE单元的混合镶嵌来构建。此外，通过在kirigami多面体的三个正交方向上允许不同的几何参数，同时保持运动学运动，还可以实现正交各向异性超材料，其中三个方向中的每一个都可以通过独立编程的NTE，ZTE或PTE分配。该研究为热膨胀超材料在空间光学系统、MEMS等领域的应用开辟了新途径。研究成果以题为“Kirigami-Inspired Three-Dimensional Metamaterials with Programmable Isotropic and Orthotropic Thermal Expansion”发表于《Advanced Materials》上。
图1：受kirigami启发的多面体及其镶嵌。
图2：正负热膨胀（NTE和PTE）单元的设计策略、参数分析和实验演示。
图3：所报道的三维机械超材料的自定义热膨胀系数（α）与特定模量（E/ρ）的Ashby图。
图4：各向同性ZTE单元和超材料。
图5：正交异性单元与混合正交异性超材料。
Y. Gu, Z. Wei, G. Wei, Z. You, J. Ma, Y. Chen, Kirigami-Inspired Three-Dimensional Metamaterials with Programmable Isotropic and Orthotropic Thermal Expansion. Adv. Mater. 2024, 2411232.
https://doi.org/10.1002/adma.202411232
点击文末“阅读原文”链接至文章页面。
声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，仅供个人学习、参考、学术交流使用，不作为商业用途，文中所引用文献已指明作者及来源。由于水平有限可能存在解读不准确，如涉及知识产权保护或其他问题联系微信metamaterials2021或邮箱metamaterials2021@163.com，我们将尽快协调处理。
