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近日，湖南大學(xué)韋凱、楊旭靜研究團隊報道了通過拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造開發(fā)的多類多種具有新穎微結(jié)構(gòu)的多功能超材料，實現(xiàn)了泊松比與熱膨脹系數(shù)分別在-0.96 ~ +0.66，-661.50 ~ +989.58 ppm/°C寬幅范圍內(nèi)可集成調(diào)控。該研究成果以“Bifunctional Metamaterials Incorporating Unusual Geminations of Poisson's Ratio and Coefficient of Thermal Expansion”為題發(fā)表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

圖1 泊松比與熱膨脹可集成調(diào)控超材料的系統(tǒng)化開發(fā)方法

該論文在前期研究積累：拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計負(fù)泊松比與負(fù)熱膨脹超材料（Additive Manufacturing, 2022, 54: 102741）的基礎(chǔ)上，面向泊松比與熱膨脹的多種功能組合，建立了多類局部目標(biāo)函數(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，并基于三次樣條曲線與偽梯度粒子群智能算法進行形狀優(yōu)化，從而形成拓?fù)渑c形狀的兩級優(yōu)化設(shè)計框架（圖1），實現(xiàn)多功能超材料從概念化到精細化的正向設(shè)計。進一步發(fā)展了熔融沉積成型的多材料增材制造工藝，制備并實驗表征了多功能超材料的熱膨脹與泊松比的集成調(diào)控特性。

圖2 五種內(nèi)凹型多功能超材料拓?fù)湫螤顑?yōu)化與變形機理

基于以上開發(fā)的設(shè)計框架，本文成功設(shè)計獲得了如圖2與圖3所示的兩類八種具有新穎微結(jié)構(gòu)的多功能超材料，包括5種內(nèi)凹型超材料可實現(xiàn)：負(fù)泊松比&負(fù)熱膨脹、負(fù)泊松比&正熱膨脹、正泊松比&負(fù)熱膨脹、正泊松比&正熱膨脹、零泊松比&零熱膨脹，以及3種手性型超材料可實現(xiàn)：負(fù)泊松比&正熱膨脹、負(fù)泊松比&負(fù)熱膨脹、負(fù)泊松比&零熱膨脹（手性型超材料不具備正、零泊松比），填補了多功能集成優(yōu)化設(shè)計的空白。

圖3 三種手性型多功能超材料拓?fù)湫螤顑?yōu)化與變形機理

論文進一步采用聚合物材料體系，發(fā)展了多材料增材制造工藝，制備了兩類八種多功能超材料，并系統(tǒng)地進行了力場與溫度場加載下的實驗測試，獲得了相應(yīng)的泊松比與熱膨脹系數(shù)（圖4和5）。實驗測試所得的泊松比與熱膨脹系數(shù)與設(shè)計結(jié)果吻合良好。泊松比與熱膨脹系數(shù)分別在-0.96~+0.66，-661.50~+989.58 ppm/°C范圍內(nèi)可協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了相應(yīng)的功能組合。

圖4 五種內(nèi)凹型超材料的泊松比與熱膨脹系數(shù)實驗測試結(jié)果

圖5 三種手性型超材料的泊松比與熱膨脹系數(shù)實驗測試結(jié)果

對比其他文獻提出的多功能超材料（圖6），該論文提出了系統(tǒng)的設(shè)計方法，并探索得到了多種新穎微結(jié)構(gòu)構(gòu)型與功能實現(xiàn)的變形機理。同時，進行了完備的增材制造與實驗表征評價。所設(shè)計的超材料熱膨脹系數(shù)范圍相較于文獻報道有大幅提升。以上研究成果為泊松比與熱膨脹可集成調(diào)控多功能超材料的工程應(yīng)用提供了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法、多材料增材制造工藝及實驗表征評價方法，同時也為系統(tǒng)地發(fā)展其他功能集成超材料提供了研究思路。

圖6 本文研究成果與其他文獻對比

湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院博士研究生韓征彤為文章第一作者，韋凱副教授為通訊作者。該工作受到國家自然科學(xué)基金、“湖湘青年科技創(chuàng)新人才（湖湘青年英才）”人才項目、湖南省自然科學(xué)基金、湖南大學(xué)汽車車身先進制造國家重點實驗室人才培育項目、中南大學(xué)高性能復(fù)雜國家重點實驗室開放基金項目的資助。