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遇热时会收缩而不是膨胀的3D打印轻质材料

一个增材制造研究小组开发了一种3D打印材料，它在被加热时会收缩而不是膨胀。这种轻质保温材料由迷你网格结构组成，在很大的温度范围内，它可以从三个笛卡尔方向上进行收缩。

大多数固体材料在加热时会膨胀，只有少数会收缩。不过，在加热时会收缩的“负热膨胀”材料可以有不同的重要用途，如水管、航天器设备，以及在不同热负荷下会失去准度的固定件，包括芯片和高精度光学底座。一个来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和几所美国大学的科学家团队开发出了3D打印轻质材料，在较大的温度范围内可以进行收缩，他们的研究已经发表在《物理评论快报》上。

研究人员开发的新型收缩3D打印超材料的秘密就在于它的双材料迷你网格结构，它是由聚合物以及聚合物/铜复合材料3D打印而成的，可以向内弯曲。暴露于热环境下时，这种向内弯曲会引起结构上的缩小。最重要的是，这种高度可调的收缩发生在三个笛卡尔方向，研究人员认为，他们的3D打印材料是第一个可以这样做的。这种热膨胀也可以不发生或是正向的，这取决于在设计时的几何形状和拓扑结构。

研究小组设计了一系列金字塔形状的迷你网格结构，在加热时它会收缩。关于这种可以弯曲与收缩的迷你网格结构，其内部支柱是由拥有更高热膨胀的材料组成。在这些支柱膨胀时，由低膨胀材料组成的外部框架会迫使支柱折叠到该结构的中心。

使用投影式微光刻3D打印技术，MIT的团队能够扩大现有的系统来制作多材料。在MIT机械工程副教授Nicholas Fang的领导下，MIT的科学家们必须确保材料不会受到污染，打印完每一层后都要洗掉残渣。

研究人员认为，3D打印材料被动适应局部温度变化的能力可以使其适用于各种机械应用，传统方法中这些应用要靠主动控制来解决，如加热和冷却。某些装置的零件在受热时会变得不准确，3D打印的材料可以被用来抵消这种失调。

根据论文作者Qiming Wang的说法，这种微结构3D打印超材料可用于牙科填料，当人们吃热东西时它很容易移动或破裂。它也可用来填补桥梁或建筑物的小缝隙，这些建筑是露天的，经常会发生热膨胀，或者也可以用于某些精密设备，如原子力显微镜。

“有趣的是，它是由两种不同的材料构成，分别为梁和空隙，”UCLA机械航天和工程系助理教授Jonathan Hopkins解释说。“当你加热它时，一旦某一条梁膨胀到超过其他梁，那么每个单元细胞之间的连接点会向内拉，进而使全部格子都向内拉，这是直接的热收缩，也是它的独特之处。”

这项研究涉及到了来自LLNL、南加州大学、MIT和洛杉矶加利福尼亚大学的研究人员，这是国防部高级研究项目局国防科学办公室五年计划的一部分，该计划主要是研究具有可控微观结构的材料。据Wang说，该项目的下一阶段是制造可以解决类似问题的零热膨胀材料。

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