在温度急剧变化环境下，具备可定制热变形功能的材料广泛应用于飞行器、空间相机、微电子封装等高精度设备和复杂结构中。在实际的工程中，这些结构通常会受到随时间或空间变化的温度变化场，进而产生导致结构失效甚至破坏的热变形和热应力。因此，在不同温度变化环境下实现热变形的定制具有非常重要的科学意义和应用价值。然而，目前设计的超材料通常由微结构单元通过周期阵列得到，因而只能实现在随时间变化温度场（“时变温度场”）下均匀热变形的定制，无法满足在随空间变化温度场（“空变温度场”）下的热变形定制需求。
近日，湖南大学韦凯、杨旭静团队提出了一种非均匀超材料设计策略，并据此设计了多种在空变温度场下具备热变形定制功能的非均匀超材料，结合有限元模拟和实验交互的方式表征了超材料的热变形，验证了设计策略的有效性，为后续非均匀超材料的开发提供了指导。该研究成果以“Multimaterial Metamaterials: Customize Targeted Thermal Deformation Modes Responding to Time- and Space-Variant Temperature Stimuli”为题发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。
https://doi.org/10.1021/acsami.4c07222
图1 非均匀超材料设计策略
如图1a所示为一个等腰三角形，将两种不同的材料分别赋予其底杆和斜杆，则产生两种不同的三角形元素。根据前期工作（Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2016, 86, 173-191）的分析，它们在高度方向分别具备正和负热膨胀的性能。基于这两种基本元素，结合多重旋转对称的规则，本文设计了如图1b所示的八种超材料单元，并且根据它们沿x和y轴方向的热变形模式（正或负）将其分为三类：#A(x+y+)、#B(x+y−)和#C(x−y−)。进一步，非均匀超材料则由单元沿x和y轴进行非均匀或均匀与非均匀的混合阵列得到。如图2c所示为三种由对应单元阵列得到非均匀超材料示例。
论文采用聚合物材料体系，采用多材料增材制造工艺，制备了设计的八种非均匀超材料，进行了实验测试，并将结果与理论设计和有限元模拟结果进行对比。如图2所示，实验测试得到的热变形结果与理论设计和模拟结果吻合良好，验证了设计的正确性，实现了不同热变形模式以及幅值的主动定制。
图2 非均匀超材料在时变温度场下的定制热变形
图3 空变温度场的离散化和典型示例
针对实际工程中普遍存在的空变温度场，论文首先将连续温度场进行离散化处理而分割成若干像素温度场，如图3b所示。为便于讨论，论文给出图3c和d中两种典型的非均匀像素温度场作为外载进行后续的设计。论文将设计的非均匀超材料分别置于上述两种像素温度场内，其结果如图4所示。研究表明，超材料的热变形模式和幅值与理论设计的结果吻合良好，且在非均匀的空变温度场下可以得到均一的热变形。
图4非均匀超材料在空变温度场下的定制热变形
对比文献中大多为周期性设计的超材料，论文提出了非均匀的设计策略并得到了多种不同的超材料，进行了增材制造、实验和有限元模拟的表征评价，实现了在时变和空变温度场下多种热变形模式和幅值的按需定制。以上研究成果为后续实现超材料定制工程需求的热变形提供了指导。
湖南大学机械与运载工程学院杨旭静教授团队的王开禹博士为论文的第一作者，韦凯教授为论文的通讯作者。该论文受到国家自然科学基金和“湖湘青年科技创新人才（湖湘青年英才）”人才项目的资助。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。
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