湖南大学韦凯团队-多材料增材制造的多方向热膨胀系数可调超材料

来源：力学人

热膨胀系数可调超材料可以在温度变化下展现精准的形状控制能力，在热致动器、自适应结构、卫星载荷平台和高精度测量领域的众多工程结构中广泛应用。与传统成型工艺相比，增材制造更适合制造微结构复杂的超材料，特别是由多种基体材料组成的热膨胀系数可调超材料。但有限的基体材料与多材料增材制造工艺、狭窄的多方向可调热膨胀系数范围是目前开发该类超材料最突出的难点问题。

近日，湖南大学韦凯团队受方岱宁院士提出的先进结构技术学术思想启发，基于前期热膨胀系数可调超材料一系列工作的积累，进一步研究了基于多材料增材制造的多类多种多方向热膨胀系数可调超材料，实现了在[-230.61~+523.36] ppm/°C宽幅范围内的热膨胀系数精准调控，并构筑了基体材料、超材料微结构、增材制造工艺和热膨胀系数调控的系统化策略，为设计、制造和表征此类超材料提供了指导性原则。该研究成果以Multimaterial Additively Manufactured Metamaterials Functionalized with Customizable Thermal Expansion in Multiple Directions为题在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

图1 基体材料、超材料微结构、增材制造工艺与热膨胀系数调控的系统化策略

该研究提出了一种多材料超材料的设计和制造策略，如图1所示。该策略将基础材料、增材制造工艺参数、超材料微结构和热膨胀系数调控紧密联系起来,从设计、制造和表征多个方面为此类超材料提供了指导性原则。设计实现热膨胀可调控超材料的主要挑战是要求至少两种具有明显不同热膨胀系数的基体材料合理集成于超材料微结构中。因此，该研究首先聚焦于熔融沉积成型工艺制备的九种基体材料工艺参数和基础性能关联规律，探索了关键增材制造工艺参数对致密性和热膨胀系数的影响规律，从而遴选出热膨胀系数差异较大且性能稳定的工程聚合物PP（热膨胀系数222.51 ppm/°C）和PC（热膨胀系数72.41 ppm/°C）作为最优的基体材料组合，并针对设计的六类超材料给出了热膨胀调控理论规律。

图2 多材料一体化增材制造的多组分超材料具有良好的尺寸精度和致密性

多相材料连接是热膨胀调控超材料制备的关键挑战，增材制造有望在不引入杂质的情况下快速一体化制备该类超材料。该研究探索了基于多材料的熔融沉积成型工艺，成功一体化制备出图2中六类十二种超材料。在异质界面处，基材PP和PC良好地融合在一起，所制备超材料的尺寸和致密性与理论值具有良好的一致性。

图3 热膨胀系数测试中六类超材料的代表性散斑图、红外热成像和热变形云图

该研究通过非接触式红外测温和数字图像相关法，对六类超材料在不同方向的热膨胀系数进行实验测试（图3），热膨胀实验测试值与理论值较为接近，且所有超材料在受热时均沿多个主方向均匀变形，不同方向的热膨胀系数最小偏差小于2%。实验结果表明：这些超材料突破了基体材料性能混合律，在无需负热膨胀系数基体材料前提下，可分别实现三、四和六个方向的热膨胀系数精准宽幅调控。

如图4所示，文献报道的多方向热膨胀可调控超材料的基材大多为铝合金、钛合金、不锈钢、因瓦合金等金属材料。该研究聚焦于聚合物材料体系，与文献报道的多方向超材料热膨胀系数实验调控范围[-68.1, +56.4] ppm/°C相比，该研究将正热膨胀系数调控范围扩大至+523.36 ppm/°C，负热膨胀系数调控范围扩大至-230.61 ppm/°C。

图4 本文研究成果与文献报道的超材料相比大幅度提高了热膨胀系数调控范围

目前多组分热膨胀可调控超材料的研究主要集中在理论设计和分析，而制备和表征是指导热膨胀系数可调控超材料发展的重要基础。该研究将六类超材料与八种基体材料(排除不适合工程应用的高吸水性PVA材料)相结合，制定了两种选择策略（图5）：一是根据多材料系统确定可实现的热膨胀系数范围；二是根据所需热膨胀系数调控范围，遴选出合理的基体材料系统。该策略可在[-233.73 ~ +528.65] ppm/°C宽幅范围内实现多方向热膨胀系数可调控超材料。基于此，该研究建立了双向需求-解决方案策略，作为设计和制造之间的桥梁紧密连接基体材料、超材料微结构、增材制造和热膨胀调控，为未来设计或定制此类超材料提供了指导性原则。基于该研究工作，未来有望通过基体材料体系的进一步扩展，有效增材制造出各种多组分超材料，以满足快速增长的各种热变形精确控制的工程应用需求。

图5 聚合物材料系统、超材料微结构和热膨胀系数调控的双向选择策略

湖南大学机械与运载工程学院博士研究生肖肖羽颉为文章第一作者，韦凯副教授为通讯作者。该研究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。

湖南大学韦凯团队一直从事材料和结构的热变形精准调控研究工作，包括热膨胀可调控超材料设计制造与评价，低热膨胀因瓦合金增材制造工艺与结构设计研究。近期相关研究成果发表于J. Mech. Phys. Solids, 2022、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022、Addit. Manuf., 2022、J. Mater. Sci. Technol., 2023。

原文链接：

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