表现出卓越热弹性特性的超材料正在成为科学和工程应用的有希望的候选者。先前对具有负热膨胀 (NTE) 的机械超材料的研究主要集中在增强各向同性 NTE，通常会导致热膨胀系数 (CTE) 高，但刚度低，这是弯曲主导的 NTE 超材料的特征。在这项研究中，我们提出了一种基于交叉结构、凹入结构和具有NTE的三角形结构的新型机械超材料，其具有显着的各向异性热膨胀行为和相当大的刚度。分别使用单位载荷法和刚度矩阵法分析推导了可编程 CTE 和有效弹性模量，并通过有限元分析 (FEA) 获得的数值结果进行了验证。受到体心立方和面心立方策略的启发，可以获得两种类型的扩展三维超材料。结果表明，较大的长度比和角度可以增强NTE效应，同时降低杨氏模量。 NTE 和正热膨胀 (PTE) 的最大值在大约 = 90° 处实现，导致刚度降低和轻微的负泊松比 (NPR)。通过调整凹入结构的角度，可以在这种平面超材料中获得六种不同的各向异性热膨胀行为。此外，与原始超材料相比，本超材料可以实现更广泛的各向同性 CTE 范围以及扩展的各向异性 CTE 范围。所提出的超材料可以与传统的三角形超材料结合以增强热弹性性能。该分析还为设计同时具有大 CTE、最佳刚度和轻质特性的超材料以用于工程应用提供了宝贵的见解。



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