随着超材料在电磁学领域的蓬勃发展,它已经不再局限于对某一类器件的设计,而是逐渐成为一种研究思路,通过精细地构建单元的微结构,实现对功能材料整体性能的调控。此外,超材料也不再仅限于对电磁波传输性能的控制,而是不断渗透到物理学的各个研究领域。本论文基于超材料的设计思想,研究了它在机械力学领域所发挥的巨大潜力。首先,提出了一种基于反手性结构和双材料杆的负热膨胀系数机械超材料。通过改变反手性单元的结点圆半径、双材料杆组份材料之间的热膨胀系数差值、双材料杆的厚度比例以及长度,都可以实现对超材料的等效线性热膨胀系数的精确调控。仿真计算和实验都证明了这种结构的热收缩性质是各向同性的,且热收缩率可以在较大的范围内进行调节。这是国内外首次实现的人工三维各向同性负热膨胀超材料,为精确掌控材料的热膨胀率,最终实现零膨胀的功能材料奠定了基础。其次,采用差式杠杆原理实现了一种可以将材料热膨胀效应放大的机械超材料。通过控制差式杠杆单元的几何尺寸,可以将自然材料的热膨胀系数进行不同程度的放大。将热膨胀系数放大超材料与负热膨胀超材料相结合,可以人为地将材料的热膨胀系数在正负值之间进行全范围的调节,使研究人员可以根据具体的工程应用场景,灵活地设计材料的等效热膨胀系数。再次,将超材料的研究思路引入到多稳态“相变”结构的设计中。通过在斜臂梁单元中加入卡扣结构,使新单元具备两种稳定的状态。研究了卡扣单元从打开状态突变到闭合状态的过程中吸收机械能的大小与卡扣单元的设计参数之间的关系。在此基础上,制作了具有渐变几何参数的阵列多稳态超材料。这种结构具有成本低廉、制作简单、性能调控便捷以及可反复利用等优点,在工程事故中对人员和精密仪器的防护方面具有广阔的应用前景。最后,将可调热膨胀系数引入到介质基超材料单元的设计中,通过中间层材料的热收缩效应,抵消温度对超材料单元谐振频率的影响,降低介质基电磁超材料的“温漂”效应。此外,采用介质基电磁超材料单元,将陶瓷块谐振体应用于测量材料内部的微小力与应变,由于所使用的材料均具有生物兼容性,这种结构将有望用于测量生物体内部的应力和应变。