來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）增材制造計(jì)劃的一組研究人員開發(fā)了具有獨(dú)特性能的3D打印材料，該材料加熱時(shí)收縮而不是膨脹。

    近日出版的物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）發(fā)表了一篇研究報(bào)告，概述了3D打印負(fù)熱膨脹的輕質(zhì)超材料，該材料可以在寬溫度范圍內(nèi)可控收縮。這個(gè)評(píng)述由LLNL工程師與麻省理工學(xué)院，南加州大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家合作提供。

    “這是我們開發(fā)和使用的打印方法的新版本。我們利用它加工一種熱機(jī)械超材料，這種材料或許可以開啟以前不可能的應(yīng)用。它具有傳統(tǒng)材料無法比擬的熱機(jī)械性能。”LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini說道。

    在本文中，研究人員展示了兩相材料微晶格結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由聚合物和銅與聚合物的復(fù)合材料打印，具有向內(nèi)彎曲的趨勢，這導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)在幾十至幾百度范圍內(nèi)遇熱收縮。

    研究人員指出，該研究可能是首次在三個(gè)坐標(biāo)方向調(diào)節(jié)微晶格結(jié)構(gòu)的負(fù)熱膨脹（NTE）的實(shí)驗(yàn)。研究人員還指出，超材料有潛力應(yīng)用于在不同熱載荷下移動(dòng)失準(zhǔn)的部件，包括高精度光學(xué)安裝座和微型芯片。

    “傳統(tǒng)意義上來講，熱失配是通過主動(dòng)控制或加熱和冷卻來實(shí)現(xiàn)，但如果你可以設(shè)計(jì)一種材料，它能承載物件并且被動(dòng)調(diào)整局部溫度變化，那會(huì)怎樣？”LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini說道。

    前LLNL博士后研究員Jonathan Hopkins目前擔(dān)任UCLA機(jī)械航空航天工程系的助理教授。他在另一篇論文中使用基于人為互動(dòng)的方法，而不是計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法創(chuàng)建了類似的結(jié)構(gòu)。Hopkins在2013年加入加州大學(xué)洛杉磯分校，并因?yàn)樽罱恼撐挠?月獲得青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)（PECASE）。

    “該結(jié)構(gòu)有趣的地方在于它由兩種不同的材料組成的，即梁和空隙，” Hopkins解釋道，“當(dāng)你加熱它，只要一個(gè)梁比其他梁膨脹，然后每個(gè)單元格之間的連接點(diǎn)向內(nèi)拉，使整個(gè)結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉導(dǎo)致立即熱收縮，這點(diǎn)非常獨(dú)特”。Hopkins指出，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浜蛶缀谓Y(jié)構(gòu)，熱膨脹也可以是正的或零。

    由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Nicholas Fang領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組，使用投影微立體成型加工工藝來3D打印微晶格結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)研究的論文的第一作者是南加州大學(xué)土木與環(huán)境工程助理教授Qiming Wang，他也曾是Nicholas Fang課題組的博后。

    “我們利用了投影微立體成型3D打印技術(shù)，但這次我們擴(kuò)展了該體系以制造多種材料。在打印出一種材料后，再切換到另一種材料。難度在于你必須消除材料之間的污染。如果不洗掉每一層的殘留物，兩種材料就會(huì)混在一起。”USC助理教授Qiming Wang說道。

    Wang指出微結(jié)構(gòu)超材料可能用做牙科補(bǔ)牙材料，當(dāng)人們吃熱食物時(shí)，這些微結(jié)構(gòu)超材料可能斷裂或移動(dòng)，以便填充牙橋或牙結(jié)構(gòu)中的微小間隙。這些微小間隙一般為熱膨脹而預(yù)留。微結(jié)構(gòu)超材料也可用作精密裝置中的原子力顯微鏡。

    “我們所解決的問題是熱失配，”Wang說，“這些材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，因此一旦我們提高溫度，它們相互作用并向內(nèi)拉，從而整體結(jié)構(gòu)的體積減小。下一步是制造零熱膨脹材料，也可以解決這些問題”。

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