通讯作者介绍

焦鹏程 研究员

浙江大学海洋学院

主要研究方向为力学功能超材料、海洋工程防灾减灾、能量采集与结构健康监测、水下软体机器人以及人工智能工程应用。

文章导读

超材料具有负泊松比、负折射率、远程控制等特殊性质，在海洋工程、航空航天、医学等众多领域极具应用潜力。力学超材料具有可编程力学响应的特性，如压缩/拉伸/扭转时的大变形回复、超轻和超刚度、可调节泊松比等。近年来，功能梯度材料、碳纳米管和石墨烯增强材料等已被广泛应用于力学超材料的研究中。从结构和材料两个方面都经过精心设计的力学超材料，可以实现在各个领域的创造性应用，例如力学传感器、温度控制器、人造肌肉以及防弹设备等。

浙江大学焦鹏程研究员团队将智能热敏材料应用于非对称结构的力学超材料设计中，提出了一种自响应力学热超材料的新概念，并在 Materials 期刊上发表了相关主题文章，展示其研究成果。

研究方法

作者对非对称力学热超材料 (ST-TM) 的材料和结构特性进行了理论表征，并在此基础上，对手性管的负泊松比和折纸超材料结构夹持器抓取过程的力学响应进行了数值研究。图 1 展示了两种结构的设计思路。

图 1. (a) 由六边形胞元和手性管组成的手性管结构；(b) 基于折纸超材料的微夹持器的设计。

结果分析

当手性板受到径向力 F 的作用时，手性腿将被拉长并带动六边形主体转动。手性腿的伸长量和六边形主体的转角仅与手性腿的内力相关，而内力又由受到的径向力 F 决定。在形状参数及材料确定时，手性微孔管的轴向形变、泊松比 Vp 和杨氏模量 Ep 仅与径向力 F 相关。当外界温度升高时，热敏材料会产生热应力，相对应热敏手性管产生应变。本文研究了手性管在温度触发下的各形变量受手性设计参数的影响。

手性管的整个加热过程如图 2 所示。图 3 (a) 展示了手性比、轴向伸长量和扭转角度之间的关系，图 3 (b) 比较了手性管和普通管之间的轴向伸长量和扭转角度。可从此研究中得到以下结论：

1. 随着手性比的增大，手性管的轴向伸长量逐渐减小；

2. 当手性比逐渐减小时，手性管的扭转角度增大；

3. 通过改变手性韧带的宽度改变管的手性比，手性比在 0.69-0.71 之间时，二者均较大。因此，在这个区域内可以获得更灵敏的可编辑自响应力学热超材料。

图 2. 温度触发的手性管的热膨胀过程。

图 3. (a) 径向伸长量和扭转角度随手性比例变化的关系；(b) 手性圆管和正常圆管之间的对比。

刚性折纸的特点是，结构主要依靠折痕的弯曲实现折叠，而折纸平面只发生刚性旋转。本研究提出的复合折纸超材料设计原理为：折纸平面为刚性材料 (受热不变形)，折痕为热膨胀弹性材料。当温度升高时，折痕处的热膨胀材料体积增大，但由于折痕两侧露出热膨胀材料的面积不同，导致两侧的热变形量大小不同，最终使折纸平面向受热面积小的一侧弯曲。通过改变折痕处的结构设计参数，可以改变折纸超材料在相同温度增量下的折叠角度。

图 4 给出了不同折痕宽度、厚度和数量时，温度触发下的夹持器折痕角度的变化情况。可以得到以下结论：

1. 当折痕厚度恒定时，力学热超材料微夹持器的折叠角度随折痕宽度的增大而增大；

2. 当折痕宽度一定时，其折叠角度随折痕厚度的减小而减小；

3. 通过控制折痕厚度、宽度等量以及温度的变化情况可以实现对抓手折叠角度的精确控制。

图 4. (a) 折叠角度随折痕宽度的变化情况；(b) 折叠角度随折痕厚度的变化情况；(c) 折叠角度随折痕数量的变化情况；(d) 夹持器整体折叠角度随加热时间的变化情况。

总 结

本文将智能热敏材料引入力学超材料的设计中，研究了非对称力学热超材料 (ST-MM) 在外部热场下的可编辑热机械响应。建立了理论和数值模型，分析了手性管的负泊松比现象和折纸超材料微夹持器在温度场中的抓取响应。参数研究表明，通过改变结构设计参数，ST-TM 在温度场中具有可编辑性。最后作者展望了热力学超材料作为自响应手性支架和微夹持器的潜在应用。

原文出自 Materials 期刊

Jiao, P.; Hong, L.; Wang, J.; Yang, J.; Zhu, R.; Lajnef, N.; Zhu, Z. Self-Triggered Thermomechanical Metamaterials with Asymmetric Structures for Programmable Response under Thermal Excitations. Materials 2021, 14, 2177. 

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor：3.748

2021 CiteScore：4.7

Time to First Decision：16.5 Days

Time to Publication：38 Days