來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）增材制造計劃的一組研究人員開發了具有獨特性能的3D打印材料，該材料加熱時收縮而不是膨脹。

    近日出版的物理評論快報（Physical Review Letters）發表了一篇研究報告，概述了3D打印負熱膨脹的輕質超材料，該材料可以在寬溫度范圍內可控收縮。這個評述由LLNL工程師與麻省理工學院，南加州大學和加利福尼亞大學洛杉磯分校的科學家合作提供。

    “這是我們開發和使用的打印方法的新版本。我們利用它加工一種熱機械超材料，這種材料或許可以開啟以前不可能的應用。它具有傳統材料無法比擬的熱機械性能。”LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini說道。

    在本文中，研究人員展示了兩相材料微晶格結構。該結構由聚合物和銅與聚合物的復合材料打印，具有向內彎曲的趨勢，這導致該結構在幾十至幾百度范圍內遇熱收縮。

    研究人員指出，該研究可能是首次在三個坐標方向調節微晶格結構的負熱膨脹（NTE）的實驗。研究人員還指出，超材料有潛力應用于在不同熱載荷下移動失準的部件，包括高精度光學安裝座和微型芯片。

    “傳統意義上來講，熱失配是通過主動控制或加熱和冷卻來實現，但如果你可以設計一種材料，它能承載物件并且被動調整局部溫度變化，那會怎樣？”LLNL工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini說道。

    前LLNL博士后研究員Jonathan Hopkins目前擔任UCLA機械航空航天工程系的助理教授。他在另一篇論文中使用基于人為互動的方法，而不是計算機驅動的方法創建了類似的結構。Hopkins在2013年加入加州大學洛杉磯分校，并因為最近的論文于2月獲得青年科學家總統獎（PECASE）。

    “該結構有趣的地方在于它由兩種不同的材料組成的，即梁和空隙，” Hopkins解釋道，“當你加熱它，只要一個梁比其他梁膨脹，然后每個單元格之間的連接點向內拉，使整個結構向內拉導致立即熱收縮，這點非常獨特”。Hopkins指出，根據設計結構的拓撲和幾何結構，熱膨脹也可以是正的或零。

    由麻省理工學院機械工程副教授Nicholas Fang領導的一個小組，使用投影微立體成型加工工藝來3D打印微晶格結構。該項研究的論文的第一作者是南加州大學土木與環境工程助理教授Qiming Wang，他也曾是Nicholas Fang課題組的博后。

    “我們利用了投影微立體成型3D打印技術，但這次我們擴展了該體系以制造多種材料。在打印出一種材料后，再切換到另一種材料。難度在于你必須消除材料之間的污染。如果不洗掉每一層的殘留物，兩種材料就會混在一起。”USC助理教授Qiming Wang說道。

    Wang指出微結構超材料可能用做牙科補牙材料，當人們吃熱食物時，這些微結構超材料可能斷裂或移動，以便填充牙橋或牙結構中的微小間隙。這些微小間隙一般為熱膨脹而預留。微結構超材料也可用作精密裝置中的原子力顯微鏡。

    “我們所解決的問題是熱失配，”Wang說，“這些材料具有不同的熱膨脹系數，因此一旦我們提高溫度，它們相互作用并向內拉，從而整體結構的體積減小。下一步是制造零熱膨脹材料，也可以解決這些問題”。

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