在航空航天、精密光学、高端计量等领域，环境温度变化引发的结构热变形，会直接影响装备的尺寸精度、工作性能与服役寿命。当前主流零热膨胀结构多依靠多种不同热膨胀系数材料来实现热补偿，但异质材料界面在反复热循环中易产生应力集中、分层开裂等问题，制约其在高可靠性精密装备中的应用。同时，基于复合材料层合理论的热膨胀调控方法仅能实现单一方向的零热膨胀，难以兼顾双向尺寸稳定性。如何仅利用单一材料，在保持高比强度、高比刚度和工程可制造性的前提下，打造双向零膨胀结构，是高精度空间装备和光学平台设计面临的重要挑战。

近日，北京理工大学先进结构技术研究院李会民课题组提出了一种基于单一碳纤维增强复合材料（CFRP）的双向零热膨胀设计方法。该技术巧妙结合复合材料层合板的热各向异性与弯曲主导热补偿机制，搭建层合板、结构双尺度协同调控框架，无需加装柔性铰链、无需搭配异质材料，便可让复合结构实现双向近零热膨胀。相关研究成果以“A bidirectional zero thermal expansion design method for carbon fiber composite structures”为题，发表在《Composites Science and Technology》期刊。

研究团队建立了双向零热膨胀复合结构的理论设计框架，分方向完成精准调控。在X方向，基于经典层合板理论，系统分析了不同铺层角度、铺层顺序对热膨胀行为的影响规律，筛选出满足零热膨胀条件的层合板铺层，构建初始铺层数据库；在Y方向，将整个结构划分为上下两层具有不同热响应特征的连续子结构，利用热失配诱导弯曲补偿机制，将弯曲变形产生的轴向应变抵消结构自身的自由热膨胀，达成热补偿效果。在此基础上，课题组建立了轴向热应变、层间热失配及整体弯曲变形的热力耦合模型，推导出两个主方向等效热膨胀系数的解析公式，引入遗传算法搭建带热膨胀约束的优化框架，实现铺层方案、厚度配比、结构几何尺寸等多参数协同优化，得到最优结构方案，设计流程如图1所示。

图1·双向零热膨胀复合结构设计整体流程图

依据优化后的设计参数，研究团队采用成熟的热压共固化工艺完成双向零膨胀结构样件的一体化制备，如图2所示，结构上下层铺层分别为[15°/0°/−15°]₄和[35°/45°/−45°/−35°]₄。研究同步开展了有限元仿真与宽温域热变形测试，对结构性能进行全方位验证。在20 ℃–200 ℃温度范围内，有限元仿真预测结构X、Y方向热膨胀系数分别为5.61×10⁻⁷/℃和6.85×10⁻⁷/℃，实验实测结果为4.73×10⁻⁷/℃和6.13×10⁻⁷/℃，仿真、实验数据与理论计算结果高度一致，如图3所示，整个结构在宽温域内稳定维持10⁻⁷/℃量级的双向近零热膨胀水平。经过多轮升降温循环测试后，试样未出现损伤、分层及性能退化现象，验证了该设计方案具备出色的结构稳定性与可靠性。

图2·双向零热膨胀复合结构示意图

图3·双向零热膨胀复合结构热膨胀系数结果分析

相较于传统基于双材料或多材料界面补偿的零热膨胀超材料，该方法仅采用单一碳纤维复合材料，依靠一体化成型工艺即可实现双向尺寸稳定，从根源上规避了异质材料界面失效的问题，显著提升了结构可靠性与工艺适配性。该结构继承了碳纤维复合材料轻量化、高刚度、高强度的固有优势，可直接对接现有复合材料量产工艺，落地门槛低、推广性强。

该技术可用于星载光学平台、空间精密结构、卫星电子基板、高精度计量装备等对尺寸稳定性要求严苛的高端装备领域。未来，团队将继续深耕多层级和空间构型设计，研发三维零膨胀复合结构，进一步拓展应用边界，为极端环境下高精度装备的热稳定设计提供新的技术路径。