第一作者单位：
湖南大学
本研究以因瓦 36 合金（Invar 36 alloy）为基体材料，创新性设计并通过激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造技术制备出一系列兼具低热膨胀系数（CTE）与可编程泊松比（PR）特性的多功能超材料。为全面表征该类超材料的综合性能，研究团队采用实验测试与数值建模相结合的方法，对材料的致密化程度、相对密度、微观组织结构、热膨胀系数及泊松比展开系统性分析。实验结果表明，所制备的超材料具有均匀的微观组织结构，这一特征使其呈现出各向同性的低热膨胀特性，热膨胀系数数值区间稳定在1.79~1.85 ppm/°C，远低于常规金属材料的热膨胀水平，能够有效抑制温度变化引发的结构变形，适用于对尺寸稳定性要求严苛的应用场景。与此同时，该设计的超材料实现了泊松比的宽范围精准调控，调控区间可达 -0.54~+0.58，与理论预测值高度吻合，充分验证了其泊松比可编程的核心设计目标。研究进一步揭示了该超材料实现性能调控的内在机理：角度参数θ1的变化是主导超材料横向变形行为的关键因素，通过调整这一核心几何参数，可定向调控超材料在受载时的横向收缩或膨胀效应，进而实现泊松比从负值到正值的连续可调。综上，该类超材料成功实现了低热膨胀系数与可编程泊松比特性的有机集成，相较于聚合物基多功能超材料，其具备更宽的工作温度区间与更优异的力学性能，可满足航空航天、精密仪器、高端装备制造等领域的复杂应用需求，展现出广阔的工程应用前景。
本研究以因瓦 36 合金为基体材料，研发出一系列兼具低热膨胀系数（CTE）与可编程泊松比（PR）特性的多功能超材料，并采用激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造技术完成材料制备。研究团队通过系统性的表征与验证实验，对该类超材料的可制造性、轻量化特性、低热膨胀系数及可编程泊松比功能展开全面分析，同时创新性地揭示了 “工艺 - 微观结构 - 性能” 之间的内在作用机制。本研究的核心结论归纳如下：
合理的工艺参数设计与扫描策略，可确保超材料具备优异的成型质量与均匀的微观组织结构。需要注意的是，熔池热扩散作用会导致部分粉末颗粒发生粘结，这一现象会轻微降低超材料的致密化程度与尺寸精度，在后续工艺优化中需针对性调整扫描速度与激光功率参数。得益于均匀的微观结构与优异的成型质量，所设计的超材料展现出各向同性的低热膨胀特性，其热膨胀系数可稳定控制在 2.0 ppm/°C 以下。值得关注的是，磁致体积收缩效应对原子振动的抑制作用会随温度升高而减弱，因此在高载荷温度条件下，超材料的热膨胀系数会出现相对增大的趋势，这一规律为超材料在高温工况下的应用提供了关键的性能参考依据。较高的尺寸精度是超材料实现可编程泊松比功能的重要前提。实验结果表明，该类超材料的泊松比可在 -0.54~+0.58 的区间内实现精准调控，这一结果不仅充分验证了超材料的泊松比可编程特性，也证明了前期理论设计方案的有效性与科学性。研究进一步揭示了超材料实现可编程泊松比的内在作用机理：内凹型拓扑结构是调控超材料横向应变的核心要素。当内凹结构的关键角度参数θ1取值较小时，会促进内凹结构发生横向延展，进而使超材料呈现负泊松比效应；反之，当θ1取值较大时，超材料的泊松比则会向正值区间偏移。
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文章链接： https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2303714
