供稿人:陳義,魯中良 發(fā)布日期：2018-04-27
固體材料在受熱時(shí)通常會(huì)膨脹，因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)導(dǎo)致原子間鍵的伸長，而原子間鍵的伸長在宏觀尺度上表現(xiàn)為體積膨脹。同理，當(dāng)固體材料遇冷時(shí)，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的收縮。現(xiàn)階段，有大量固體材料應(yīng)用在光學(xué)儀器、航空航天設(shè)備等高精尖技術(shù)上，材料的這種熱脹冷縮行為會(huì)降低設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。顯然，固體材料的這種特性不利于生產(chǎn)和使用要求。
由美國勞倫斯利物莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、麻省理工學(xué)院（MIT）、南加州大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分?？茖W(xué)家合作，首次3D打印出受熱收縮的全新超材料。 MIT力學(xué)工程教授方絢萊帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該研究的3D打印部分的工作，成型原理如圖1a所示。團(tuán)隊(duì)采用的是顯微立體光刻3D打印技術(shù)，類似噴墨打印機(jī)和數(shù)字曝光機(jī)的結(jié)合。先將不同材料的液滴噴在一個(gè)透明窗口上，再通過數(shù)字投影機(jī)把圖案分別投射在需要固化的液滴背面。被光照過的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu)，附著在一個(gè)樣品支架上，窗口上沒有曝光的液滴則被清除。如此反復(fù)，可以得到所需的晶格結(jié)構(gòu)。
圖1 成型設(shè)備及展示圖
這種微晶格具有負(fù)膨脹系數(shù)，其設(shè)計(jì)靈感來自于具有八面體原子結(jié)構(gòu)耦合運(yùn)動(dòng)機(jī)制的負(fù)膨脹系數(shù)材料。從每個(gè)單元來看，新結(jié)構(gòu)類似斜拉橋的設(shè)計(jì)，只是伸縮性好的鋼筋換成了相對柔軟的樹脂，剛度大的橫梁變成了摻銅納米顆粒的樹脂（圖1b和1e）。因不同材料受熱時(shí)相對位移不同，受熱時(shí)柔軟的樹脂先伸長，直到加固的橫梁也被拉動(dòng)，使得連接點(diǎn)處向內(nèi)拉伸，帶動(dòng)整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉伸(圖1c和1f)。總體上看，整個(gè)空心的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)收縮，從而表現(xiàn)出獨(dú)有的熱收縮特性。成型的晶格結(jié)構(gòu)二維圖如1d和1f所示。
晶格結(jié)構(gòu)變形原理圖如圖2所示，在圖2a中展示了這種微晶格結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，圖2b中標(biāo)明關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的兩條分叉變形路徑，并結(jié)合圖2c中，通過比較摻有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)銅的樹脂材料熱應(yīng)力變形，來確定銅納米顆粒的添加量。這個(gè)新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復(fù)之前體積，能反復(fù)使用。
圖2 微晶格成型原理圖
受熱發(fā)生變化的樹脂仍然遵循了熱脹冷縮的常識，但是獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給觀察者呈現(xiàn)出相反的視覺效果，該研究成果適用于制造在溫度變化較大的環(huán)境中工作的精密部件，如遇熱脹冷縮產(chǎn)生焦距漂移的光學(xué)鏡頭、微芯片和高精光學(xué)儀器等，這種超材料將具有廣泛的應(yīng)用前景。