編輯推薦:本文介紹了一類2D分層超材料的設計理念和制造策略,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,能夠大大擴大熱膨脹的可及范圍。
大多數天然材料在加熱時各向同性地膨脹,因為分子的動能增加了它們在非拋物線原子勢中的運動范圍,從而提供了正熱膨脹系數,其中大多數在1~300 ppm K-1的范圍內。最近的研究表明,具有優化微結構結構的機械超材料可以產生非常規的熱膨脹行為。盡管之前對超材料進行了較大或超低熱膨脹系數(CTE)的研究,但在具有高填充率的結構中獲得大范圍的熱致尺寸變化的CTE值仍然是一個關鍵的挑戰。
清華大學張一慧教授等人介紹了一種高度填充的分層超材料設計,具有CTE大范圍的可調性以及大的熱變形。相關論文以題為“Designing Mechanical Metamaterials with Kirigami-Inspired, Hierarchical Constructions for Giant Positive and Negative Thermal Expansion”發表在Advanced Materials上。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004919
通過實驗論證,理論建模、有限元模擬和實驗測量之間得到了一致性證明,這些系統可以精確定制,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械超材料的熱膨脹響應的定量比較表明,這里報道的結果顯著地擴大了Ashby圖中CTE的可及范圍,對于雙軸CTE來說幾乎擴大了一個數量級。優異的各向同性/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的組合屬性為航空航天、形狀變形結構、生物醫學器件、熱開關和致動器、光學器件,和其他需要在寬溫度范圍內操作的可展開系統的應用提供了潛在的強大選擇。圖1a示意性說明了kirigami啟發的超材料設計的分層結構,該設計能夠實現各向同性熱膨脹。該結構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構分支(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格圖案。
圖1 受到kirigami啟發的具有巨大正熱膨脹的2D分級超材料的設計策略和實驗演示。a)分層設計和關鍵幾何參數的說明。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圖像,以及通過有限元分析預測的變形配置(右)。設計參數包括(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計的圖示,以及相應的幾何參數。d)制造的超材料樣品在20℃升高之前(左)和之后(中)的光學圖像,以及有限元分析預測的變形結構(右)。設計參數包括(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啟發的2D分級設計與正熱膨脹的微結構-性能關系。a)基本致動元件的圖示(左)、根據LPI/WPI和LPMMA/LP模擬的CTE放大系數的等高線圖,以及四個不同LPI/WPI的CTE與LPMMA/LPI的放大系數。其他參數固定為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的等高線圖(中),以及三種不同LPI/WPI的CTE與L1/L2的放大系數(右)。其他參數固定為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,1/WPI(右)。其他參數固定為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分層超材料設計,它將kirigami啟發的雙層激勵元件結合到周期性晶格圖案中。該材料為航空航天、形狀變形結構、生物醫學器件、熱開關和致動器、光學器件,和其他需要在寬溫度范圍內操作的可展開系統的應用提供了潛在的強大選擇。(文:8 Mile)
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