具有負泊鬆比與負膨脹係數的新型雙負超材料

負泊鬆比材料在受到壓縮載荷時橫向收縮，負熱膨脹係數材料在受熱時發生收縮現象。而負泊鬆比和負熱膨脹係數相結合的新型超材料為材料的特殊需求提供了進一步的可能性。

香港城市大學深圳研究院介紹了一種具有負泊鬆比與負熱膨脹係數的雙負超材料（Extreme Mechanics Letters, 2019）。這種新型超材料基於傳統的星型內凹結構。為了提高該結構的負泊鬆比，研究者分別在結構和排列方式上進行了創新。這種結構和排列上的創新使得超材料在受到外界力/位移載荷時呈現出內凹變形機制，從而表現出負泊鬆比。

為了得到負熱膨脹係數，在一個結構中引入了兩種熱膨脹係數不同的材料（圖1a）。藍色的桿的熱膨脹係數較小，而紅色的桿熱膨脹係數較大。研究者用大量的數值模擬對新構型超材料的負熱膨脹係數進行了驗證。在加熱時紅色的桿因為需要伸長的更多而使得垂直方向藍色的桿發生彎曲，從而減小了整個結構所佔有的空間，表現出負的熱膨脹係數（圖2）。

為了驗證該超材料的負泊鬆比行為，研究者們採用摩方P130 打印機對材料進行了製備。並用試驗和數值仿真相結合的方法對其負泊鬆比行為進行了驗證，兩者吻合的較好。由於材料打印的尺寸在微米級別，這也為材料在聲學、光學等方面的應用提供了可能性。

該研究工作發表於Extreme Mechanics Letters，香港城市大學深圳研究院陸洋老師為通訊作者。

nanoArch® P130打印的輕質高強結構材料，最小桿徑8 μ m。

我們持續助力香港城市大學深圳研究院在超材料領域的研究及應用，其自主研發的nanoArch® P130 3D打印機精度高達2微米。除上述研究工作中的超材料應用外，另一重要的應用是輕質高強力學超材料，具有超輕質量和超高強度。其優異的力學性能得益於其中的微晶格結構，如上圖所示，這些微晶格結構非常複雜，使用傳統的二維製造技術無法加工製作，而摩方的微尺度3D打印技術則可以快速高效加工出這種複雜三維微結構，且具有極高的打印分辨率（圖中微點陣結構，最小桿徑8 μm）。