湖南大學韋凱團隊-多材料增材制造的多方向熱膨脹系數(shù)可調(diào)超材料

來源：力學人

熱膨脹系數(shù)可調(diào)超材料可以在溫度變化下展現(xiàn)精準的形狀控制能力，在熱致動器、自適應結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星載荷平臺和高精度測量領(lǐng)域的眾多工程結(jié)構(gòu)中廣泛應用。與傳統(tǒng)成型工藝相比，增材制造更適合制造微結(jié)構(gòu)復雜的超材料，特別是由多種基體材料組成的熱膨脹系數(shù)可調(diào)超材料。但有限的基體材料與多材料增材制造工藝、狹窄的多方向可調(diào)熱膨脹系數(shù)范圍是目前開發(fā)該類超材料最突出的難點問題。

近日，湖南大學韋凱團隊受方岱寧院士提出的先進結(jié)構(gòu)技術(shù)學術(shù)思想啟發(fā)，基于前期熱膨脹系數(shù)可調(diào)超材料一系列工作的積累，進一步研究了基于多材料增材制造的多類多種多方向熱膨脹系數(shù)可調(diào)超材料，實現(xiàn)了在[-230.61~+523.36] ppm/°C寬幅范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)精準調(diào)控，并構(gòu)筑了基體材料、超材料微結(jié)構(gòu)、增材制造工藝和熱膨脹系數(shù)調(diào)控的系統(tǒng)化策略，為設(shè)計、制造和表征此類超材料提供了指導性原則。該研究成果以Multimaterial Additively Manufactured Metamaterials Functionalized with Customizable Thermal Expansion in Multiple Directions為題在線發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

圖1 基體材料、超材料微結(jié)構(gòu)、增材制造工藝與熱膨脹系數(shù)調(diào)控的系統(tǒng)化策略

該研究提出了一種多材料超材料的設(shè)計和制造策略，如圖1所示。該策略將基礎(chǔ)材料、增材制造工藝參數(shù)、超材料微結(jié)構(gòu)和熱膨脹系數(shù)調(diào)控緊密聯(lián)系起來,從設(shè)計、制造和表征多個方面為此類超材料提供了指導性原則。設(shè)計實現(xiàn)熱膨脹可調(diào)控超材料的主要挑戰(zhàn)是要求至少兩種具有明顯不同熱膨脹系數(shù)的基體材料合理集成于超材料微結(jié)構(gòu)中。因此，該研究首先聚焦于熔融沉積成型工藝制備的九種基體材料工藝參數(shù)和基礎(chǔ)性能關(guān)聯(lián)規(guī)律，探索了關(guān)鍵增材制造工藝參數(shù)對致密性和熱膨脹系數(shù)的影響規(guī)律，從而遴選出熱膨脹系數(shù)差異較大且性能穩(wěn)定的工程聚合物PP（熱膨脹系數(shù)222.51 ppm/°C）和PC（熱膨脹系數(shù)72.41 ppm/°C）作為最優(yōu)的基體材料組合，并針對設(shè)計的六類超材料給出了熱膨脹調(diào)控理論規(guī)律。

圖2 多材料一體化增材制造的多組分超材料具有良好的尺寸精度和致密性

多相材料連接是熱膨脹調(diào)控超材料制備的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，增材制造有望在不引入雜質(zhì)的情況下快速一體化制備該類超材料。該研究探索了基于多材料的熔融沉積成型工藝，成功一體化制備出圖2中六類十二種超材料。在異質(zhì)界面處，基材PP和PC良好地融合在一起，所制備超材料的尺寸和致密性與理論值具有良好的一致性。

圖3 熱膨脹系數(shù)測試中六類超材料的代表性散斑圖、紅外熱成像和熱變形云圖

該研究通過非接觸式紅外測溫和數(shù)字圖像相關(guān)法，對六類超材料在不同方向的熱膨脹系數(shù)進行實驗測試（圖3），熱膨脹實驗測試值與理論值較為接近，且所有超材料在受熱時均沿多個主方向均勻變形，不同方向的熱膨脹系數(shù)最小偏差小于2%。實驗結(jié)果表明：這些超材料突破了基體材料性能混合律，在無需負熱膨脹系數(shù)基體材料前提下，可分別實現(xiàn)三、四和六個方向的熱膨脹系數(shù)精準寬幅調(diào)控。

如圖4所示，文獻報道的多方向熱膨脹可調(diào)控超材料的基材大多為鋁合金、鈦合金、不銹鋼、因瓦合金等金屬材料。該研究聚焦于聚合物材料體系，與文獻報道的多方向超材料熱膨脹系數(shù)實驗調(diào)控范圍[-68.1, +56.4] ppm/°C相比，該研究將正熱膨脹系數(shù)調(diào)控范圍擴大至+523.36 ppm/°C，負熱膨脹系數(shù)調(diào)控范圍擴大至-230.61 ppm/°C。

圖4 本文研究成果與文獻報道的超材料相比大幅度提高了熱膨脹系數(shù)調(diào)控范圍

目前多組分熱膨脹可調(diào)控超材料的研究主要集中在理論設(shè)計和分析，而制備和表征是指導熱膨脹系數(shù)可調(diào)控超材料發(fā)展的重要基礎(chǔ)。該研究將六類超材料與八種基體材料(排除不適合工程應用的高吸水性PVA材料)相結(jié)合，制定了兩種選擇策略（圖5）：一是根據(jù)多材料系統(tǒng)確定可實現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)范圍；二是根據(jù)所需熱膨脹系數(shù)調(diào)控范圍，遴選出合理的基體材料系統(tǒng)。該策略可在[-233.73 ~ +528.65] ppm/°C寬幅范圍內(nèi)實現(xiàn)多方向熱膨脹系數(shù)可調(diào)控超材料。基于此，該研究建立了雙向需求-解決方案策略，作為設(shè)計和制造之間的橋梁緊密連接基體材料、超材料微結(jié)構(gòu)、增材制造和熱膨脹調(diào)控，為未來設(shè)計或定制此類超材料提供了指導性原則。基于該研究工作，未來有望通過基體材料體系的進一步擴展，有效增材制造出各種多組分超材料，以滿足快速增長的各種熱變形精確控制的工程應用需求。

圖5 聚合物材料系統(tǒng)、超材料微結(jié)構(gòu)和熱膨脹系數(shù)調(diào)控的雙向選擇策略

湖南大學機械與運載工程學院博士研究生肖肖羽頡為文章第一作者，韋凱副教授為通訊作者。該研究受到國家自然科學基金和湖湘青年科技創(chuàng)新人才（湖湘青年英才）人才項目的資助。

湖南大學韋凱團隊一直從事材料和結(jié)構(gòu)的熱變形精準調(diào)控研究工作，包括熱膨脹可調(diào)控超材料設(shè)計制造與評價，低熱膨脹因瓦合金增材制造工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。近期相關(guān)研究成果發(fā)表于J. Mech. Phys. Solids, 2022、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022、Addit. Manuf., 2022、J. Mater. Sci. Technol., 2023。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c08134