Metamaterials, incorporating specific micro-architectures, could be purposely customized to export the programmability in both thermal expansional and mechanical performances, which are beneficial to obtain the thermal and structural stabilities in engineering devices. Here, by focusing on developing an original design strategy, multiple classes of metamaterials were devised and analyzed to integrate the programmable coefficient of thermal expansion (CTE) and mechanical performances (relative density, stiffness and strength). In detail, firstly, a series of the bi-material metaunits was devised, and a vector analysis method was proposed to analytically identify the CTE tensors. Then, an original design strategy, i.e., matrix transformation method, was developed to systematically devise multiple classes of 3D metamaterials with the unidirectional, transversal isotropic and isotropic CTEs. Besides, the mechanical performances, including the relative density, stiffness and strength, were theoretically established. It was identified that these metamaterials well balanced the directionality and programmability of the CTEs. Most importantly, by modulating the geometrical parameters, the desirable CTEs, light weight, high stiffness and strength could be synergistically achieved in these metamaterials. Eventually, a principle was established to guide the development of metamaterials. That was the original design strategy acted as the underlying foundation to map the specific architectures in metamaterials, correspondingly, to build the ability to synergistically program or customize the thermal expansional and mechanical performances.

结合特定微架构的超材料可以有目的地定制，以输出热膨胀和机械性能的可编程性，这有利于获得工程设备的热稳定性和结构稳定性。在这里，通过专注于开发原始设计策略，设计和分析了多种超材料，以整合可编程热膨胀系数 (CTE) 和机械性能（相对密度、刚度和强度）。具体而言，首先设计了一系列双材料元单元，并提出了一种矢量分析方法来解析识别CTE张量。然后，开发了一种原始设计策略，即矩阵变换方法，以系统地设计多类单向 3D 超材料，横向各向同性和各向同性 CTE。此外，理论建立了包括相对密度、刚度和强度在内的力学性能。发现这些超材料很好地平衡了 CTE 的方向性和可编程性。最重要的是，通过调节几何参数，可以在这些超材料中协同实现所需的 CTE、轻质、高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。理论建立了包括相对密度、刚度和强度在内的力学性能。发现这些超材料很好地平衡了 CTE 的方向性和可编程性。最重要的是，通过调节几何参数，可以在这些超材料中协同实现所需的 CTE、轻质、高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。理论建立了包括相对密度、刚度和强度在内的力学性能。发现这些超材料很好地平衡了 CTE 的方向性和可编程性。最重要的是，通过调节几何参数，可以在这些超材料中协同实现所需的 CTE、轻质、高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。发现这些超材料很好地平衡了 CTE 的方向性和可编程性。最重要的是，通过调节几何参数，可以在这些超材料中协同实现所需的 CTE、轻质、高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。发现这些超材料很好地平衡了 CTE 的方向性和可编程性。最重要的是，通过调节几何参数，可以在这些超材料中协同实现所需的 CTE、轻质、高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。在这些超材料中可以协同实现高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。在这些超材料中可以协同实现高刚度和强度。最终，建立了指导超材料发展的原则。这是最初的设计策略作为映射超材料中特定架构的基础，相应地，建立协同编程或定制热膨胀和机械性能的能力。