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清华航院张一慧课题组在具有非常规溶胀性质的软质力学超材料研究上取得重要进展

发布时间:2018-06-12 17:43:30


    清华新闻网6月12日电 6月8日,清华大学航天航空学院张一慧课题组与北京理工大学教授、清华大学双聘教授方岱宁课题组合作,在《科学进展》(Science Advances)期刊上发表了题为《具有非常规溶胀行为及可调控应力应变曲线的软质力学超材料》(Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves)的研究论文,系统报道了一类具有负溶胀等非常规溶胀性质以及可调控“J”型应力-应变曲线的软质力学超材料。

 具有极端面积/体积变形能力的超材料在航空工程、光学和微电子领域有着广泛的应用。然而现有的负溶胀超材料变形范围较小,且不具备各向异性的性质,很难实现对材料面积/体积变化的大幅调控,在很大程度上限制了该类力学超材料的发展和应用。 

A图为网状材料吸水和脱水过程中的构型演变。B图为溶胀应变随时间演变的曲线图。C图为对应吸水/脱水状态下的应力-应变曲线。比例尺为40毫米

 为解决上述问题,航院张一慧课题组提出了一种基于平面点阵的异质材料组装设计。该设计基于复合梁的偏心原理,利用不同层材料吸水变形过程中膨胀变形的差异,实现网状材料整体的较大膨胀和收缩。其微结构采用了马蹄形的三层夹心设计,有效解决了变形过程中界面分离以及结点自接触的问题。结合先进增材制备技术,利用高精度多材料光固化喷墨型3D打印机,实现了该网状超材料的数字化制备。

 在《科学进展》论文中,研究团队首先展示了网状材料的吸水变形和脱水回复的过程,验证了网状材料的变形可逆性;详尽阐述了网状材料的变形机制以及调控原理,建立了定量的力学预测模型;通过有限元仿真和理论分析,提出了具有非常规溶胀行为的超材料设计方法,并实现了网状材料力学性质的各向异性调控。研究表明新设计的网状材料具有独特的“J”型应力-应变曲线,通过控制吸水时间,可以精确控制网状材料的弹性模量及临界应变等力学性质,在可展开天线和软体机器人的构型主动控制方面有着重要的潜在应用。 

各向异性大溶胀行为设计,其中红线表示本项工作中展示的溶胀行为

 张一慧副教授与方岱宁教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院2016级博士生张航为本文的第一作者。合作者包括清华大学航院博士后郭晓岗和2014级本科生邬军。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、中组部青年千人计划项目和清华信息科学与技术国家实验室的支持。

 

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