进展 | 用于形状变形的微尺度拉胀层级力学超构材料

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形状变形、利用拓扑或时空特性以及控制功能材料力学特性的能力仍然是材料科学的一些主要挑战。同时，对有这种特性的材料的需求很高，因为其性能优于目前已知的生物医学和其他领域器件性能。此外，设计和制造这种材料在小尺度上变得更加困难。与该课题相关的最有趣的研究方向之一是力学超构材料。然而，在绝大多数情况下，标准力学超构材料在寻找能够表现出多种变形模式的结构时被证明是不够的。这反过来导致了致力于层级力学超构材料的深入研究，即由具有自己几何形状的元素组成的结构，这些几何形状通常可以变形而与系统的其余部分无关。层级力学超构材料的研究大受欢迎，它是力学超构材料领域相对较新的研究方向。

然而，目前提出的层级结构通常有几个局限性：

  · 大多数的层级力学超构材料的设计产生的提升性能相对较小；

  · 它们展示可调力学行为的能力只能在宏观结构上得到证实；

  · 许多应用中（如生物医学器件和柔性电子），表现出可编程拉胀行为能力材料在微纳尺度上非常重要；

  · 几乎所有报道的层级超构材料都是2D的，这降低了适用性。

因此，设计能够对多个方向的力学性能进行可编程控制的3D层级超构材料的可能性将具有重要意义。

近日，法国FEMTO-ST研究所M. Kadic 提出了新颖的2D和3D微尺度层级力学超构材料。此外，通过有限元法模拟支持的实验，证明了所考虑的结构能够在改变连接其结构元件的铰链的厚度时表现出可控的拉胀行为。在这方面，由于非常新颖的设计导致系统内存在相互竞争的子结构，表明分析的模型可能表现出非常广泛的拉胀行为，这反过来又增加了其适用性和吸引力材料科学领域的研究人员。

最后，表明分析的力学超构材料可能表现出预定义的形状变形。换句话说，由于其层级设计，所考虑的力学超构材料可以改变其形状，以便在受到外部刺激时与另一个物体的形状相匹配。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：
K. K. Dudek, J. A. I. Martínez, G. Ulliac, et al. Micro‐Scale Auxetic Hierarchical Mechanical Metamaterials for Shape Morphing. Advanced Materials, 2022.

https://doi.org/10.1002/adma.202110115

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。