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近日，湖南大學韋凱、楊旭靜研究團隊報道了通過拓撲優化與增材制造開發的多類多種具有新穎微結構的多功能超材料，實現了泊松比與熱膨脹系數分別在-0.96 ~ +0.66，-661.50 ~ +989.58 ppm/°C寬幅范圍內可集成調控。該研究成果以“Bifunctional Metamaterials Incorporating Unusual Geminations of Poisson's Ratio and Coefficient of Thermal Expansion”為題發表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

圖1 泊松比與熱膨脹可集成調控超材料的系統化開發方法

該論文在前期研究積累：拓撲優化設計負泊松比與負熱膨脹超材料（Additive Manufacturing, 2022, 54: 102741）的基礎上，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函數與拓撲優化數學模型，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化，從而形成拓撲與形狀的兩級優化設計框架（圖1），實現多功能超材料從概念化到精細化的正向設計。進一步發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控特性。

圖2 五種內凹型多功能超材料拓撲形狀優化與變形機理

基于以上開發的設計框架，本文成功設計獲得了如圖2與圖3所示的兩類八種具有新穎微結構的多功能超材料，包括5種內凹型超材料可實現：負泊松比&負熱膨脹、負泊松比&正熱膨脹、正泊松比&負熱膨脹、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：負泊松比&正熱膨脹、負泊松比&負熱膨脹、負泊松比&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化設計的空白。

圖3 三種手性型多功能超材料拓撲形狀優化與變形機理

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

圖4 五種內凹型超材料的泊松比與熱膨脹系數實驗測試結果

圖5 三種手性型超材料的泊松比與熱膨脹系數實驗測試結果

對比其他文獻提出的多功能超材料（圖6），該論文提出了系統的設計方法，并探索得到了多種新穎微結構構型與功能實現的變形機理。同時，進行了完備的增材制造與實驗表征評價。所設計的超材料熱膨脹系數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控多功能超材料的工程應用提供了系統的優化設計方法、多材料增材制造工藝及實驗表征評價方法，同時也為系統地發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

湖南大學機械與運載工程學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基金、“湖湘青年科技創新人才（湖湘青年英才）”人才項目、湖南省自然科學基金、湖南大學汽車車身先進制造國家重點實驗室人才培育項目、中南大學高性能復雜國家重點實驗室開放基金項目的資助。