近日，天津大学机械工程学院陈焱教授团队联合英国索尔福德大学魏国武教授和英国牛津大学由衷教授，设计出一系列三维热膨胀超材料，实现了三维尺度下超大范围的“冷胀热缩”，甚至“零胀零缩”。该成果发表于期刊《先进材料》。
该课题组利用剪纸原理设计了单自由度的截角八面体剪纸单胞，并在剪纸多面体折痕处布置双金属片，利用其受热产生正向或反向弯曲变形，带动多面体胞元结构变形。当双金属片发生正向弯曲时，超材料表现负热膨胀的特性；当双金属片发生反向弯曲时，超材料则表现正热膨胀的特性；当胞元结构正交对称时，超材料热膨胀在三个正交方向上保持一致和均匀。调节双金属片的厚度等设计参数，能够得到非常大的热膨胀系数调控区间。
此外，研究团队还将负热膨胀和正热膨胀的各向异性单胞进行交替组合排布，并经过精准的建模设计，在单一超材料的三个正交方向上同时实现了负/零/正热膨胀响应，可以应对特殊应用场景中对材料受热响应的方向性需求。
据介绍，机械超材料是一种新型人造材料，通过基础材料的特殊拓扑分布设计来突破自然规律的限制，实现天然材料所不具备的超常物理性质。热胀冷缩是自然材料通常的表现，但是热膨胀会导致材料发生变形，引发结构损坏或者精度无法保持。而现有的机械超材料只能实现较小范围的负热膨胀。