Nat.Commun.稳健可打印的自由形状热超构材料

撰稿|由课题组供稿

超构材料具有常规自然材料不具备的超常属性而备受关注，其通常由人为设计结构而获得。热超构材料作为超构材料的一员，可操控热流形成一系列的超常热学功能，如热隐身、热集中、热旋转等。近日，华中科技大学机械学院高亮教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授、华中科技大学能源学院胡润副教授合作提出了一种稳健可打印的自由形状热超构材料拓扑优化设计方法，设计了具有自由形状的热集中、热旋转和热隐身超构材料。该工作以《Robustly printable freeform thermal metamaterials》为题在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

随着变换光学和散射抵消方法应用于热学，一系列具有不同功能的热超构材料纷纷被设计和制备，但目前热超构材料设计仍面临三大挑战：（1）利用变换热学法设计热超构材料需采用各向异性材料参数，而常规材料往往不具备，使得实验制备热超构材料难度大；（2）热超构材料结构形状受限，以圆形、椭圆形等规则形状的热超构材料制备居多，影响了热超构材料的工程适用性；（3）采用数值优化方法设计热超构材料依赖背景温度场（图1.b）和目标超常热学属性，影响了设计的灵活性和热超构材料的全方位功能性。因此，如何设计并制备具有自由形状且全方位功能性的热超构器件是热超材料领域亟需解决的难题。

图1 背景温度独立与背景温度依赖的热超构材料拓扑优化设计

针对以上难题，研究人员提出一种稳健可打印的自由形状热超构材料拓扑优化设计方法，采用拓扑优化设计具有指定导热系数的拓扑功能单胞（Topological functional cell，TFC），组装生成热超构材料，开展了自由形状热超构材料拓扑优化设计-增材制造热超构器件-热学仿真与实验性能测试（图1）。由于TFC的等效热传导张量不受热流方向影响，采用本研究方法设计的热超构材料具备背景温度独立性与全方位功能性，即在任何背景温度下均可保持很好的热超常功能。

研究人员按照上述思路，设计了具有自由形状的热集中、热旋转和热隐身等三类热超构材料构型，并开展了数值仿真（图2）和热学实验（图3）性能测试，结果表明无论热流从何种方向通过三种热超构材料，其内部各自呈现出良好的热集中、热旋转和热隐身效果。

图2 拓扑优化设计的三种热超构材料及其数值仿真温度场分布（左：热集中；中：热旋转；右，热隐身）

图3 3D打印制备的热超构器件及其热学实验温度场分布

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-27543-7