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遇熱時會收縮而不是膨脹的3D打印輕質材料

一個增材制造研究小組開發了一種3D打印材料，它在被加熱時會收縮而不是膨脹。這種輕質保溫材料由迷你網格結構組成，在很大的溫度范圍內，它可以從三個笛卡爾方向上進行收縮。

大多數固體材料在加熱時會膨脹，只有少數會收縮。不過，在加熱時會收縮的“負熱膨脹”材料可以有不同的重要用途，如水管、航天器設備，以及在不同熱負荷下會失去準度的固定件，包括芯片和高精度光學底座。一個來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和幾所美國大學的科學家團隊開發出了3D打印輕質材料，在較大的溫度范圍內可以進行收縮，他們的研究已經發表在《物理評論快報》上。

研究人員開發的新型收縮3D打印超材料的秘密就在于它的雙材料迷你網格結構，它是由聚合物以及聚合物/銅復合材料3D打印而成的，可以向內彎曲。暴露于熱環境下時，這種向內彎曲會引起結構上的縮小。最重要的是，這種高度可調的收縮發生在三個笛卡爾方向，研究人員認為，他們的3D打印材料是第一個可以這樣做的。這種熱膨脹也可以不發生或是正向的，這取決于在設計時的幾何形狀和拓撲結構。

研究小組設計了一系列金字塔形狀的迷你網格結構，在加熱時它會收縮。關于這種可以彎曲與收縮的迷你網格結構，其內部支柱是由擁有更高熱膨脹的材料組成。在這些支柱膨脹時，由低膨脹材料組成的外部框架會迫使支柱折疊到該結構的中心。

使用投影式微光刻3D打印技術，MIT的團隊能夠擴大現有的系統來制作多材料。在MIT機械工程副教授Nicholas Fang的領導下，MIT的科學家們必須確保材料不會受到污染，打印完每一層后都要洗掉殘渣。

研究人員認為，3D打印材料被動適應局部溫度變化的能力可以使其適用于各種機械應用，傳統方法中這些應用要靠主動控制來解決，如加熱和冷卻。某些裝置的零件在受熱時會變得不準確，3D打印的材料可以被用來抵消這種失調。

根據論文作者Qiming Wang的說法，這種微結構3D打印超材料可用于牙科填料，當人們吃熱東西時它很容易移動或破裂。它也可用來填補橋梁或建筑物的小縫隙，這些建筑是露天的，經常會發生熱膨脹，或者也可以用于某些精密設備，如原子力顯微鏡。

“有趣的是，它是由兩種不同的材料構成，分別為梁和空隙，”UCLA機械航天和工程系助理教授Jonathan Hopkins解釋說。“當你加熱它時，一旦某一條梁膨脹到超過其他梁，那么每個單元細胞之間的連接點會向內拉，進而使全部格子都向內拉，這是直接的熱收縮，也是它的獨特之處。”

這項研究涉及到了來自LLNL、南加州大學、MIT和洛杉磯加利福尼亞大學的研究人員，這是國防部高級研究項目局國防科學辦公室五年計劃的一部分，該計劃主要是研究具有可控微觀結構的材料。據Wang說，該項目的下一階段是制造可以解決類似問題的零熱膨脹材料。

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