双元型热超器件- 大数跨境

两江科技评论

2019-04-10

导读：新加坡国立大学（C.W. Qiu 组）与哈尔滨工业大学（L.Q. Li 组）合作实现了可调谐多功能的双元型热超材料结构器件，利用堆叠在一起的相同单态结构和简洁的机械旋转实现多种热学操控功能,将热隐身、

导读

新加坡国立大学（C.W. Qiu 组）与哈尔滨工业大学（L.Q. Li 组）合作实现了可调谐多功能的双元型热超材料结构器件。这种新型器件利用堆叠在一起的相同单态结构，通过简洁的机械旋转可实现多种热学操控功能。这种方法将热隐身、聚集、旋转和透明等功能集成在同一器件中，为可调谐热超材料的设计和制造的工程解决方案提供了新思路。相关工作以《Doublet Thermal Metadevice》为题，发表在《Physical Review Applied》上。

文章信息：Jiaxin Li, Ying Li, Tianlong Li, Wuyi Wang, Longqiu Li, and Cheng-Wei Qiu, "Doublet Thermal Metadevice", Phys. Rev. Applied 11, 044021 (2019)

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044021

研究背景

为解决热防护、高效散热、废热回收与再利用等能源问题，热超材料可能成为解决一些传统传热问题的关键方法。热超材料作为人工设计制作的结构有序材料，具备许多组分材料无法发挥的特殊热学功能，设计自由度极大。热超材料具备对热流的按需调控能力，近年来在热隐身、热聚集、热聚焦、热旋转、热幻象等方面均有进展。然而，传统的热超材料基本采用具有预设功能的固定结构，结构确定后功能不可更改。现有多功能热超材料大多依赖于热电元件、非线性材料或者结构拆分重组，很难实现实时调整热导率，主动可控制性的程度不高。

创新研究

研究人员设计了多层可旋转的双元型热超器件，每层都是由两种材料交替排列组成的相同结构，同样的结构堆叠在一起通过彼此间转动则可以生出多种热学操控功能，进而达到1+1＞2的效果。该器件由高、低热导率材料呈棋盘状结构排列分布（图1），通过调整可旋转部件的角位移，使局部的径向和切向热导率发生变化，控制器件内外的温度分布从而使器件呈现出透明、聚集和旋转功能（图2）。该装置的功能多样性可以通过两种方式进一步扩展。一种方法是利用二次变换沿径向压缩各单元（图3），将隐身功能加入器件使其有四种功能模式（图4）。另一种方法是通过改变单元形状来改变器件的径、切向等效热导率，并建立等效热导率与单元形状参数的关系（图5）。