[论文解读] Micro-Structured Two-Component 3D Metamaterials with Negative Thermal-Expansion Coefficient from Positive Constituents

Jingyuan Qu, Muamer Kadic+2 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Oct 7, 2016

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 22被引用 4

一句话总结

本研究展示了一种三维微结构的双组分聚合物超材料，尽管其组分材料均具有正热膨胀性，却实现了负热膨胀系数（NTEC）。通过设计具有非对称热响应的螺旋形双材料晶格，梁的弯曲引发旋转运动，从而过度补偿了热膨胀，导致加热时整体收缩——为人工材料中可调热膨胀提供了新途径。

ABSTRACT

Controlling the thermal expansion of materials is of great technological importance. Uncontrolled thermal expansion can lead to failure or irreversible destruction of structures and devices. In ordinary crystals, thermal expansion is governed by the asymmetry of the microscopic binding potential, which cannot be adjusted easily. In artificial crystals called metamaterials, thermal expansion can be controlled by structure. Here, following previous theoretical work, we fabricate three-dimensional two-component polymer microlattices by using gray-tone laser lithography. We perform cross-correlation analysis of optical microscopy images taken at different sample temperatures. The derived displacement-vector field reveals that the thermal expansion and resulting bending of the bi-material beams leads to a rotation of the 3D chiral crosses arranged onto a 3D checkerboard pattern within one metamaterial unit cell. These rotations can over-compensate the expansion and lead to an effectively negative thermal length-expansion coefficient for all positive constituents evidencing a striking level of thermal-expansion control.

研究动机与目标

• 设计并制造具有可调热膨胀性能的三维微结构超材料。
• 克服天然材料固有的正热膨胀局限，因其势阱不对称性所致。
• 证明通过结构工程而非材料组成，负热膨胀可从正组分中涌现。
• 通过测量热致形变的实验验证螺旋形三维晶格中负热膨胀系数（NTEC）的理论预测。

提出的方法

• 使用灰度激光光刻技术制造三维双组分聚合物微晶格，以精确控制梁的几何形状与组分。
• 设计一种在三维棋盘状晶胞中排列的螺旋形十字结构，以在热载荷下实现旋转自由度。
• 利用光学显微镜结合互相关分析，从不同温度下获取的图像中提取位移矢量场。
• 通过追踪晶胞内结构元件的旋转与相对位移来测量热膨胀。
• 将实验位移数据与有限元模拟进行对比，以验证负热膨胀的机制。
• 分析双材料梁的热响应，其中差异性膨胀引发弯曲与旋转运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅由正热膨胀组分构成的三维超材料是否可表现出整体负热膨胀系数？
• RQ2 在螺旋形晶格中，何种结构机制可通过旋转自由度实现热膨胀的过度补偿？
• RQ3 双材料梁中的几何形状与材料对比度如何影响晶胞的整体热膨胀行为？
• RQ4 通过结构设计而非材料选择，热膨胀系数可调节到何种程度？
• RQ5 实验测量能否证实理论预测的三维微结构超材料中负热膨胀行为？

主要发现

• 所制备的三维超材料尽管所有组分材料均具有正热膨胀性，仍表现出负热膨胀长度系数。
• 负热膨胀源于晶胞内螺旋形十字结构的旋转，其驱动力来自双材料梁的差异性热膨胀。
• 显微图像的互相关分析定量揭示了位移场与旋转运动，与NTEC机制一致。
• 观测到的旋转过度补偿了材料的本征膨胀，导致加热时整体收缩。
• 实验结果证实了理论预测，展示了在人工材料中工程化热膨胀的稳健且可扩展的路径。
• 该方法仅依赖结构设计与常规聚合物，无需特殊材料，即可实现对热膨胀的精确调控。