編輯推薦:本文介紹了一類2D分層超材料的設(shè)計理念和制造策略,該類超材料能夠有效地將兩種緊密堆積的組成材料之間的熱不匹配,轉(zhuǎn)化為巨大的雙軸/單軸熱膨脹/收縮。該研究中報道的分層超材料與先前的報告相比,能夠大大擴(kuò)大熱膨脹的可及范圍。
大多數(shù)天然材料在加熱時各向同性地膨脹,因?yàn)榉肿拥膭幽茉黾恿怂鼈冊诜菕佄锞€原子勢中的運(yùn)動范圍,從而提供了正熱膨脹系數(shù),其中大多數(shù)在1~300 ppm K-1的范圍內(nèi)。最近的研究表明,具有優(yōu)化微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料可以產(chǎn)生非常規(guī)的熱膨脹行為。盡管之前對超材料進(jìn)行了較大或超低熱膨脹系數(shù)(CTE)的研究,但在具有高填充率的結(jié)構(gòu)中獲得大范圍的熱致尺寸變化的CTE值仍然是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。
清華大學(xué)張一慧教授等人介紹了一種高度填充的分層超材料設(shè)計,具有CTE大范圍的可調(diào)性以及大的熱變形。相關(guān)論文以題為“Designing Mechanical Metamaterials with Kirigami-Inspired, Hierarchical Constructions for Giant Positive and Negative Thermal Expansion”發(fā)表在Advanced Materials上。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004919
通過實(shí)驗(yàn)論證,理論建模、有限元模擬和實(shí)驗(yàn)測量之間得到了一致性證明,這些系統(tǒng)可以精確定制,以提供大范圍的CTE,包括線性模式下的大的各向同性/各向異性熱膨脹或收縮。通過對先前報道的機(jī)械超材料的熱膨脹響應(yīng)的定量比較表明,這里報道的結(jié)果顯著地擴(kuò)大了Ashby圖中CTE的可及范圍,對于雙軸CTE來說幾乎擴(kuò)大了一個數(shù)量級。優(yōu)異的各向同性/各向異性CTEs、具有線性行為的大熱變形、高填充率和相對快速的熱響應(yīng)的組合屬性為航空航天、形狀變形結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)器件、熱開關(guān)和致動器、光學(xué)器件,和其他需要在寬溫度范圍內(nèi)操作的可展開系統(tǒng)的應(yīng)用提供了潛在的強(qiáng)大選擇。圖1a示意性說明了kirigami啟發(fā)的超材料設(shè)計的分層結(jié)構(gòu),該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)各向同性熱膨脹。該結(jié)構(gòu)遵循中間面板中所示的周期性單位元素的線性陣列。該單位包括一個方形基底(長度L1)在中心和四個相同的結(jié)構(gòu)分支(長度L2)與kirigami模式。分支作為致動部件,將雙層梁的彎曲變形轉(zhuǎn)化為大的單軸熱膨脹,而作為被動支撐的中心基座連接致動部件以形成正方形網(wǎng)格圖案。
圖1 受到kirigami啟發(fā)的具有巨大正熱膨脹的2D分級超材料的設(shè)計策略和實(shí)驗(yàn)演示。a)分層設(shè)計和關(guān)鍵幾何參數(shù)的說明。b)在(左)和(中)增加30°C之前(左)和之后(中)制造的超材料樣品的光學(xué)圖像,以及通過有限元分析預(yù)測的變形配置(右)。設(shè)計參數(shù)包括(Le/L1、LPI/WPI、LPMMA/LPI、L2/L1、WPI/WPMMA、WPI/WGap、L1、LJoint和WPI) = (0.86、62.8、0.8、0.35、1、1、15 mm、2 mm和100 m)。c)在基本致動元件的垂直長度上具有梯度的分級設(shè)計的圖示,以及相應(yīng)的幾何參數(shù)。d)制造的超材料樣品在20℃升高之前(左)和之后(中)的光學(xué)圖像,以及有限元分析預(yù)測的變形結(jié)構(gòu)(右)。設(shè)計參數(shù)包括(Le,1/L1,LPI,1/WPI, LPMMA/LPI, L2/L1, WPI/WPMMA, WPI/WGap, L1, LJoint和WPI) = (0.84,52.8,0.8,0.37,1,1,15 mm,2 mm,100 m)。比例尺:5毫米。
圖2 kirigami啟發(fā)的2D分級設(shè)計與正熱膨脹的微結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。a)基本致動元件的圖示(左)、根據(jù)LPI/WPI和LPMMA/LP模擬的CTE放大系數(shù)的等高線圖,以及四個不同LPI/WPI的CTE與LPMMA/LPI的放大系數(shù)。其他參數(shù)固定為LJpoint = 2mm和WPI = WPI = WPI = 100m。b)2D分層超材料的圖示(左)、CTE在L2/L1和LPI/WPI方面的模擬放大系數(shù)的等高線圖(中),以及三種不同LPI/WPI的CTE與L1/L2的放大系數(shù)(右)。其他參數(shù)固定為LJoint = 2 mm,WPI = WPI = WPI = 100 m,= 15 mm,Le/ L1 = 0.86,LPMMA/LPI = 0.8。c)帶有梯度設(shè)計的2D分層超材料的圖示(左)、CTE在L2/L1和LPI方面的模擬放大系數(shù)等高線圖,1/WPI(中),以及CTE與L1/L2在三種不同LPI下的放大系數(shù),1/WPI(右)。其他參數(shù)固定為LJoint = 2 mm,WPI = WPI = WPI = 100 m,Le,1/L1 = 0.84,LPMMA/LPI = 0.8。
總之,研究人員提出了一種2D分層超材料設(shè)計,它將kirigami啟發(fā)的雙層激勵元件結(jié)合到周期性晶格圖案中。該材料為航空航天、形狀變形結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)器件、熱開關(guān)和致動器、光學(xué)器件,和其他需要在寬溫度范圍內(nèi)操作的可展開系統(tǒng)的應(yīng)用提供了潛在的強(qiáng)大選擇。(文:8 Mile)
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