湖南大学《ACS AMI》：拓扑优化与增材制造开发多功能超材料！

泊松比及热膨胀可集成调控（如负泊松比与负热膨胀、负泊松比与正热膨胀、零泊松比与零热膨胀等）的多功能超材料可服役于力场与温度场同时加载环境下，以实现结构变形的主动控制，保持高尺寸稳定性或实现特定结构构型，在航空航天、精密仪器等工程领域中具有广阔的应用前景。然而，大多数报道的超材料只能实现泊松比或热膨胀系数的单一调控，仅有少数超材料能够实现负泊松比与负热膨胀集成。由于缺乏系统性的设计方法与制造工艺，泊松比及热膨胀可集成调控多功能超材料实现的功能组合单一，且研究多局限于理论建模与仿真分析，严重限制了此类多功能超材料的进一步发展。

近日，湖南大学韦凯、杨旭静研究团队报道了通过拓扑优化与增材制造开发的多类多种具有新颖微结构的多功能超材料，实现了泊松比与热膨胀系数分别在-0.96 ~ +0.66，-661.50 ~ +989.58 ppm/°C宽幅范围内可集成调控。该研究成果以“Bifunctional Metamaterials Incorporating Unusual Geminations of Poisson's Ratio and Coefficient of Thermal Expansion”为题发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

图1 泊松比与热膨胀可集成调控超材料的系统化开发方法

该论文在前期研究积累：拓扑优化设计负泊松比与负热膨胀超材料（Additive Manufacturing, 2022, 54: 102741）的基础上，面向泊松比与热膨胀的多种功能组合，建立了多类局部目标函数与拓扑优化数学模型，并基于三次样条曲线与伪梯度粒子群智能算法进行形状优化，从而形成拓扑与形状的两级优化设计框架（图1），实现多功能超材料从概念化到精细化的正向设计。进一步发展了熔融沉积成型的多材料增材制造工艺，制备并实验表征了多功能超材料的热膨胀与泊松比的集成调控特性。

图2 五种内凹型多功能超材料拓扑形状优化与变形机理

基于以上开发的设计框架，本文成功设计获得了如图2与图3所示的两类八种具有新颖微结构的多功能超材料，包括5种内凹型超材料可实现：负泊松比&负热膨胀、负泊松比&正热膨胀、正泊松比&负热膨胀、正泊松比&正热膨胀、零泊松比&零热膨胀，以及3种手性型超材料可实现：负泊松比&正热膨胀、负泊松比&负热膨胀、负泊松比&零热膨胀（手性型超材料不具备正、零泊松比），填补了多功能集成优化设计的空白。

图3 三种手性型多功能超材料拓扑形状优化与变形机理

论文进一步采用聚合物材料体系，发展了多材料增材制造工艺，制备了两类八种多功能超材料，并系统地进行了力场与温度场加载下的实验测试，获得了相应的泊松比与热膨胀系数（图4和5）。实验测试所得的泊松比与热膨胀系数与设计结果吻合良好。泊松比与热膨胀系数分别在-0.96~+0.66，-661.50~+989.58 ppm/°C范围内可协同调控，实现了相应的功能组合。

图4 五种内凹型超材料的泊松比与热膨胀系数实验测试结果

图5 三种手性型超材料的泊松比与热膨胀系数实验测试结果

对比其他文献提出的多功能超材料（图6），该论文提出了系统的设计方法，并探索得到了多种新颖微结构构型与功能实现的变形机理。同时，进行了完备的增材制造与实验表征评价。所设计的超材料热膨胀系数范围相较于文献报道有大幅提升。以上研究成果为泊松比与热膨胀可集成调控多功能超材料的工程应用提供了系统的优化设计方法、多材料增材制造工艺及实验表征评价方法，同时也为系统地发展其他功能集成超材料提供了研究思路。

图6 本文研究成果与其他文献对比

湖南大学机械与运载工程学院博士研究生韩征彤为文章第一作者，韦凯副教授为通讯作者。该工作受到国家自然科学基金、“湖湘青年科技创新人才（湖湘青年英才）”人才项目、湖南省自然科学基金、湖南大学汽车车身先进制造国家重点实验室人才培育项目、中南大学高性能复杂国家重点实验室开放基金项目的资助。

封面来源于图虫创意