Designing Mechanical Metamaterials with Kirigami‐Inspired, Hierarchical Constructions for Giant Positive and Negative Thermal Expansion

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作者
Xiaogang Guo,Xiaoyue Ni,Jiahong Li,Hang Zhang,Fan Zhang,Huabin Yu,Jun Wu,Yun Bai,Hongshuai Lei,Yonggang Huang,John A. Rogers,Yihui Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (3) 被引量:92
标识
DOI:10.1002/adma.202004919
摘要

Abstract Advanced mechanical metamaterials with unusual thermal expansion properties represent an area of growing interest, due to their promising potential for use in a broad range of areas. In spite of previous work on metamaterials with large or ultralow coefficient of thermal expansion (CTE), achieving a broad range of CTE values with access to large thermally induced dimensional changes in structures with high filling ratios remains a key challenge. Here, design concepts and fabrication strategies for a kirigami‐inspired class of 2D hierarchical metamaterials that can effectively convert the thermal mismatch between two closely packed constituent materials into giant levels of biaxial/uniaxial thermal expansion/shrinkage are presented. At large filling ratios (>50%), these systems offer not only unprecedented negative and positive biaxial CTE (i.e., −5950 and 10 710 ppm K −1 ), but also large biaxial thermal expansion properties (e.g., > 21% for 20 K temperature increase). Theoretical modeling of thermal deformations provides a clear understanding of the microstructure–property relationships and serves as a basis for design choices for desired CTE values. An Ashby plot of the CTE versus density serves as a quantitative comparison of the hierarchical metamaterials presented here to previously reported systems, indicating the capability for substantially enlarging the accessible range of CTE.
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