材料學院周濟課題組在《材料科學進展》發文綜述力學超材料相關...

材料學院周濟課題組在《材料科學進展》發文綜述力學超材料相關研究進展

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清華新聞網12月26日電  12月21日，清華大學材料學院周濟教授課題組在材料科學領域的國際權威期刊《材料科學進展》 （Progress in Materials Science）上發表題為《關聯強度、剛度和可壓縮性的力學超材料》（Mechanical metamaterials associated with stiffness, rigidity and compressibility: a brief review）的長篇綜述論文。文章詳細回顧了近年來在力學超材料的結構設計、實驗等方面所取得的重要研究進展，並根據基本材料力學理論對力學超材料進行了清晰的分類。

 

力學超材料系統示意圖。

超材料是藉助於人工功能基元構築的、具有自然材料不具有的超常物理性能的一大類新型人工材料。力學超材料可基於四個彈性常數（即彈性模量，剪切模量，體模量和泊松比）來分類。在體模量和剪切模量關係的K-G圖中，呈現了目前所常用的自然材料是在第一象限的狹長區域，而人工構築的力學超材料已經開始向外拓展：當剪切模量G遠遠小於體模量K時，是五模式超流體結構材料；當剪切模量G遠遠大於體模量K時，為負泊松比拉脹材料；當體模量為負值，並與剪切模量滿足一定關係時，所設計的結構材料可以在第四象限穩定存在，即為負可壓縮性材料。

超材料最初用於電磁波的調控，以實現負折射、完美成像、完美隱身等新穎功能。近年來，超材料的概念被引入到力學領域，成為新型機械功能材料的生長點。力學超材料通常是由精細設計的人工機械結構單元構成。經由三維空間中特定的人工微結構設計，呈現出一些列奇異的力學特性。該綜述根據所調控的彈性模量的不同，可以將力學超材料簡要地分為：超強超硬超材料，可調節剛度超材料，負壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和超流體等。對種類繁多的力學超材料從功能原理到基本特性進行了系統性的科學分類，並綜述分析了其研究現狀，給出了其潛在的應用領域和願景。

由周濟教授領導課題組是國內最早開展超材料研究的課題組之一，該課題組首次提出了通過超材料與常規材料融合來構造新型功能材料的思想，並率先發展出了具有低傳輸損耗、簡單結構、可調的非金屬基電磁超材料以及超材料全光開關、人工非線性超材料等新型電磁超材料系統。近年來，該課題組也在負熱膨脹等力學超材料方面也開展了研究，取得了一些研究成果。

周濟教授為本文的通訊作者，材料學院博士後於相龍博士（現為中國科學技術大學副研究員）為本文的第一作者。共同作者包括中國科學技術大學梁海弋教授、澳大利亞臥龍崗大學姜正義（Jiang Zhengyi）教授，以及材料學院2013級博士生吳玲玲。該研究得到了國家基金委和博後基金項目的經費支持。

期刊介紹：

《材料科學進展》（Progress in Materials Science）是國際材料科學研究領域的綜述性學術期刊，主要刊登在材料科學與工程某一研究領域最新研究進展的權威性評述論文，每年出版6-8期，每期1-3篇文章，2016年影響因子31.08。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.12.003。

供稿：材料學院   編輯：常 松