具有負泊松比與負膨脹系數的新型雙負超材料

負泊松比材料在受到壓縮載荷時橫向收縮，負熱膨脹系數材料在受熱時發生收縮現象。而負泊松比和負熱膨脹系數相結合的新型超材料為材料的特殊需求提供了進一步的可能性。

香港城市大學深圳研究院介紹了一種具有負泊松比與負熱膨脹系數的雙負超材料（Extreme Mechanics Letters, 2019）。這種新型超材料基于傳統的星型內凹結構。為了提高該結構的負泊松比，研究者分別在結構和排列方式上進行了創新。這種結構和排列上的創新使得超材料在受到外界力/位移載荷時呈現出內凹變形機制，從而表現出負泊松比。

圖1(a), (b)新構型超材料的結構以及(c), (d)兩種不同的排列方式。

為了得到負熱膨脹系數，在一個結構中引入了兩種熱膨脹系數不同的材料（圖1a）。藍色的桿的熱膨脹系數較小，而紅色的桿熱膨脹系數較大。研究者用大量的數值模擬對新構型超材料的負熱膨脹系數進行了驗證。在加熱時紅色的桿因為需要伸長的更多而使得垂直方向藍色的桿發生彎曲，從而減小了整個結構所占有的空間，表現出負的熱膨脹系數（圖2）。

圖2新構型超材料受熱變形圖。

為了驗證該超材料的負泊松比行為，研究者們采用摩方P130 打印機對材料進行了制備。并用試驗和數值仿真相結合的方法對其負泊松比行為進行了驗證，兩者吻合的較好。由于材料打印的尺寸在微米級別，這也為材料在聲學、光學等方面的應用提供了可能性。

圖3新構型超材料電鏡觀測圖以及受力變形圖。

該研究工作發表于Extreme Mechanics Letters，香港城市大學深圳研究院陸洋老師為通訊作者。

摩方nanoArch® P130打印的輕質高強結構材料，最小桿徑8 μm。

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BMF nanoArch® P130打印系統