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  6月8日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧副教授課題組與北京理工大學(xué)教授、清華大學(xué)雙聘教授方岱寧課題組合作，在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上發(fā)表了題為《具有非常規(guī)溶脹行為及可調(diào)控應(yīng)力應(yīng)變曲線的軟質(zhì)力學(xué)超材料》（Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves）的研究論文，系統(tǒng)報(bào)道了一類(lèi)具有負(fù)溶脹等非常規(guī)溶脹性質(zhì)以及可調(diào)控“J”型應(yīng)力-應(yīng)變曲線的軟質(zhì)力學(xué)超材料。

  具有極端面積/體積變形能力的超材料在航空工程、光學(xué)和微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)有的負(fù)溶脹超材料變形范圍較小，且不具備各向異性的性質(zhì)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)材料面積/體積變化的大幅調(diào)控，在很大程度上限制了該類(lèi)力學(xué)超材料的發(fā)展和應(yīng)用。 

A圖為網(wǎng)狀材料吸水和脫水過(guò)程中的構(gòu)型演變。B圖為溶脹應(yīng)變隨時(shí)間演變的曲線圖。C圖為對(duì)應(yīng)吸水/脫水狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。比例尺為40毫米

  為解決上述問(wèn)題，張一慧副教授課題組提出了一種基于平面點(diǎn)陣的異質(zhì)材料組裝設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于復(fù)合梁的偏心原理，利用不同層材料吸水變形過(guò)程中膨脹變形的差異，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀材料整體的較大膨脹和收縮。其微結(jié)構(gòu)采用了馬蹄形的三層夾心設(shè)計(jì)，有效解決了變形過(guò)程中界面分離以及結(jié)點(diǎn)自接觸的問(wèn)題。結(jié)合先進(jìn)增材制備技術(shù)，利用高精度多材料光固化噴墨型3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了該網(wǎng)狀超材料的數(shù)字化制備。

  在《科學(xué)進(jìn)展》論文中，研究團(tuán)隊(duì)首先展示了網(wǎng)狀材料的吸水變形和脫水回復(fù)的過(guò)程，驗(yàn)證了網(wǎng)狀材料的變形可逆性；詳盡闡述了網(wǎng)狀材料的變形機(jī)制以及調(diào)控原理，建立了定量的力學(xué)預(yù)測(cè)模型；通過(guò)有限元仿真和理論分析，提出了具有非常規(guī)溶脹行為的超材料設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀材料力學(xué)性質(zhì)的各向異性調(diào)控。研究表明新設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀材料具有獨(dú)特的“J”型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)控制吸水時(shí)間，可以精確控制網(wǎng)狀材料的彈性模量及臨界應(yīng)變等力學(xué)性質(zhì)，在可展開(kāi)天線和軟體機(jī)器人的構(gòu)型主動(dòng)控制方面有著重要的潛在應(yīng)用。

各向異性大溶脹行為設(shè)計(jì)，其中紅線表示本項(xiàng)工作中展示的溶脹行為

  張一慧副教授與方岱寧教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航院2016級(jí)博士生張航為本文的第一作者。合作者包括清華大學(xué)航院博士后郭曉崗和2014級(jí)本科生鄔軍。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中組部青年千人計(jì)劃項(xiàng)目和清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaar8535