供稿人：康友偉、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-03-01
具有零或負(fù)熱膨脹行為的超材料在高溫或超高溫工作的結(jié)構(gòu)或器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，地球軌道衛(wèi)星中使用的衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)通常在陽光直射到陰影之間循環(huán)工作，這導(dǎo)致衛(wèi)星的溫度變化很大，影響了衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)的精度。因此，迫切需要具有可定制，特別是零熱膨脹系數(shù)（CTE）的超材料。過往研究的超材料通常是基于聚合物或金屬設(shè)計的，它們不能在非常高的溫度下工作。因此，有必要開發(fā)可在高溫或較大溫度變化下工作的具有可控?zé)崤蛎浶袨榈某牧?。北京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊設(shè)計并制造了由氧化鋁和氧化鋯組成的陶瓷超材料，研究了可編程熱膨脹系數(shù)的理論基礎(chǔ)，實現(xiàn)了具有負(fù)、零和正熱膨脹的3D桁架陶瓷超材料。
本研究針對四棱錐桁架結(jié)構(gòu)，分別對不同的邊賦予不同CTE的材料進(jìn)行了理論計算，研究了三種結(jié)構(gòu)的角度θ對CTE的影響規(guī)律，角度θ為三棱錐棱邊與底邊的夾角。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)幾何參數(shù)角度 ( θ) 為常數(shù)，QP-3結(jié)構(gòu)超材料的可定制CTE范圍最大，QP-1結(jié)構(gòu)超材料次之；QP-2 結(jié)構(gòu)的超材料是最小的。
為驗證設(shè)計的可靠性，基于QP-3結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊使用氧化鋁和氧化鋯材料通過立體光刻增材制造的方法制造了具有負(fù)、零和正熱膨脹的3D桁架陶瓷超材料，如圖1所示，并使用基于非接觸數(shù)字圖像技術(shù)（DIC）開發(fā)的定制測試系統(tǒng)測量了該結(jié)構(gòu)在不同角度θ下的熱膨脹。
圖1 多材料QP-3結(jié)構(gòu)的陶瓷超材料單元
熱變形測量結(jié)果顯示，所設(shè)計的θ為 50.8° 的多陶瓷 QP-3 結(jié)構(gòu)的DIC計算熱應(yīng)變小于零，并且隨著溫度的升高而減小，說明結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹行為。θ為55.5°時，結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變接近于零，僅隨溫度升高而略有變化，表明該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出零或接近零的熱膨脹行為。然而，θ為35.5°的多陶瓷QP-3結(jié)構(gòu)超材料的熱應(yīng)變大于零，并且隨著溫度的升高而增加，表明該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出正熱膨脹行為。對比實驗結(jié)果和設(shè)計結(jié)果，只發(fā)現(xiàn)了很小的誤差，實驗測量結(jié)果與理論設(shè)計吻合。