研发人员开发出加热收缩的3D打印材料

材料牛注：材料的热胀冷缩是尽人皆知的常识。但是美国国家实验室的研究人员利用3D打印加工出加热时收缩的微晶格超材料，首次展示了超材料在三维空间的可控负热膨胀。这一特性使得许多原本看似违背基本材料性能的应用成为可能。

来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）增材制造计划的一组研究人员开发了具有独特性能的3D打印材料，该材料加热时收缩而不是膨胀。

10月21日出版的物理评论快报（Physical Review Letters）发表了一篇研究报告，概述了3D打印负热膨胀的轻质超材料，该材料可以在宽温度范围内可控收缩。这个评述由LLNL工程师与麻省理工学院，南加州大学和加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家合作提供。

“这是我们开发和使用的打印方法的新版本。我们利用它加工一种热机械超材料，这种材料或许可以开启以前不可能的应用。它具有传统材料无法比拟的热机械性能。”LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini说道。

在本文中，研究人员展示了两相材料微晶格结构。该结构由聚合物和铜与聚合物的复合材料打印，具有向内弯曲的趋势，这导致该结构在几十至几百度范围内遇热收缩。

研究人员指出，该研究可能是首次在三个坐标方向调节微晶格结构的负热膨胀（NTE）的实验。研究人员还指出，超材料有潜力应用于在不同热载荷下移动失准的部件，包括高精度光学安装座和微型芯片。

“传统意义上来讲，热失配是通过主动控制或加热和冷却来实现，但如果你可以设计一种材料，它能承载物件并且被动调整局部温度变化，那会怎样？”LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini说道。

前LLNL博士后研究员Jonathan Hopkins目前担任UCLA机械航空航天工程系的助理教授。他在另一篇论文中使用基于人为互动的方法，而不是计算机驱动的方法创建了类似的结构。Hopkins在2013年加入加州大学洛杉矶分校，并因为最近的论文于2月获得青年科学家总统奖（PECASE）。

“该结构有趣的地方在于它由两种不同的材料组成的，即梁和空隙，” Hopkins解释道，“当你加热它，只要一个梁比其他梁膨胀，然后每个单元格之间的连接点向内拉，使整个结构向内拉导致立即热收缩，这点非常独特”。Hopkins指出，根据设计结构的拓扑和几何结构，热膨胀也可以是正的或零。

由麻省理工学院机械工程副教授Nicholas Fang领导的一个小组，使用投影微立体成型加工工艺来3D打印微晶格结构。该项研究的论文的第一作者是南加州大学土木与环境工程助理教授Qiming Wang，他也曾是Nicholas Fang课题组的博后。

“我们利用了投影微立体成型3D打印技术，但这次我们扩展了该体系以制造多种材料。在打印出一种材料后，再切换到另一种材料。难度在于你必须消除材料之间的污染。如果不洗掉每一层的残留物，两种材料就会混在一起。”USC助理教授Qiming Wang说道。

Wang指出微结构超材料可能用做牙科补牙材料，当人们吃热食物时，这些微结构超材料可能断裂或移动，以便填充牙桥或牙结构中的微小间隙。这些微小间隙一般为热膨胀而预留。微结构超材料也可用作精密装置中的原子力显微镜。

“我们所解决的问题是热失配，”Wang说，“这些材料具有不同的热膨胀系数，因此一旦我们提高温度，它们相互作用并向内拉，从而整体结构的体积减小。下一步是制造零热膨胀材料，也可以解决这些问题”。

原文链接：Researchers Develop 3D Printed Materials that Shrink when Heated。

文献链接：Lightweight Mechanical Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion。

本文由编辑部龙骑士提供素材，史文武编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。