大多数自然材料满足热胀冷缩的基本物理特性。然而,在卫星、高超声速飞行器、精密仪器仪表等高端装备的服役过程中,结构受到环境温度变化和本身高精度需求,热变形需要实时和精确的控制。因此,发展具有极小膨胀(甚至零膨胀)、负膨胀的复合材料以及发展具有膨胀系数任意可调的多功能化和智能化的复合材料成为当前科研领域的研究热点。先进的制造技术(如3D/4D打印,微纳制造)为该类具有超常规属性人类设计的先进复合材料(又称为超材料和超结构)的制备提供可能。本文以提升材料所允许的使用温度范围为设计目标,提出了考虑刚度特性的零膨胀复合材料高许用温变的多功能设计方法;研究了双层扁壳结构在环境温度变化条件下的非线性动态跳转特性,提出了面内热膨胀正负可调的智能蜂窝夹层结构设计。具体的研究内容和结论如下:(1)考虑刚度特性的零热膨胀复合材料高许用温变设计。材料的宏观零膨胀可以通过两种不同的正热膨胀材料在单胞尺度上的复合实现。该类材料虽然能在较大温度波动环境下保持较高的几何稳定性,但两种材料之间过大的热应力很容易导致材料失效,从而限制其许用温度变化范围(简称许用温变)。为此,本文提出以单位温升的最大热应力作为零膨胀材料许用温变的衡量指标,通过解析和有限元数值仿真两种方法,对三种典型弯曲变形机制的零膨胀材料进行许用温变和刚度特性分析,揭示了单胞可设计参数对其性能的影响规律。结果表明:在满足零膨胀条件下,通过合理的单胞结构设计和选材设计,可以实现刚度与许用温变双目标共赢。(2)环境温度驱动的双层扁壳结构非线性动态跳跃特性研究。通过改变复合材料的微结构形式是实现宏观等效性能可变的有效方式,因而是实现复合材料智能化的重要途径。而发现在外界激励条件下具有结构可变特性的结构形式和建立相应的性能表征方法是其关键问题。本文提出了环境温度驱动下具有双稳态特性的双层扁壳结构,通过数值方法讨论了可设计参数(材料参数、几何参数等)对非线性动态跳跃特性的影响。以工程可控的低跳跃温度为设计目标,优化了双层扁壳的形状。分析了易于拼接的四边形和六边形双层扁壳的动态跳转特性,为进一步的智能化复合材料设计提供基础。(3)面内热膨胀系数正负可调的智能蜂窝夹芯板设计。基于所提出的双层扁壳结构的动态跳跃特性,提出了创新的智能蜂窝夹芯面板设计方案。该设计方案不仅具有三明治夹芯蜂窝面板的高承载能力,更具有面内热膨胀系数正负可调的智能特性。通过数值方法研究环境温度驱动下等效面内热膨胀系数的变化规律。结果表明,新提出的智能蜂窝夹层面板不仅可以实现面内等效热膨胀系数正负之间转化,甚至可以完成正正以及正零热膨胀系数间转变。该研究为进一步实现智能蜂窝夹芯面板精确智能可控提供基础。