Npj Comput. Mater.: 拓扑优化的热超构材料—可遍历全参数各向异性热传导张量空间

超材料（Metamaterial）是一类具有特殊性质的、自然界没有的人造材料，如可以改变光、电磁波的通常性质，这是传统材料无法做到的。然而，超材料在成分上并没有什么“超出”传统材料之处，只是其精密的几何结构和尺寸大小造就了其“传奇”特性，比如特定构型的微结构，大小尺度小于其作用的波长，超材料就可对波施加影响等。

超构材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，涉及电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入崭新天地。超材料的研究基本在2000年之后，仅短短20几年就探索出了多种典型的超构材料，如左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等。

热超材料作为超构材料家族的一员，具有强大的热流操纵能力，可用于设计许多有前途的热超构器件，包括热集中器、热旋转器、热斗篷等。热超材料对热流的非凡操纵能力得益于其内部特定热传导张量(κ)的空间分布。各向同性材料的导热行为在各个方向上都相同，难以直接操纵热流，而各向异性材料却可做到灵活控制。不幸的是，绝大多数天然材料都是各向同性的，这迫使人们想办法将几种天然材料混合起来，以获得具有等效各向异性热传导张量的材料，从而实现各向异性的导热行为。但如何快速和有效地将两种材料混合、设计出微结构符合要求的热超材料挑战很大。

近期，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团队合作，提出了全参数各向异性热传导张量空间的概念，用于描述任意混合材料结构的等效热传导张量集合；在此基础上，提出了基于拓扑优化的全参数各向异性热传导张量空间遍历方法，通过拓扑优化获得具有目标的等效热传导张量的微结构，即拓扑功能单胞（图1）。针对铜和PDMS两种材料，设计了一系列拓扑功能单胞，其等效热传导张量可遍历铜-PDMS全参数各向异性热传导张量空间（图2）。论文以“Topology-optimized thermal metamaterials traversing full-parameter anisotropic space”为题发表在 npj computational materials 上。

图1 全参数各向异性热传导张量空间和四类热超构器件示意图

图2 可遍历的铜-PDMS全参数各向异性热传导张量空间和热流操纵

为展现遍历全参数各向异性热传导张量空间的意义，研究人员提出了区域散射抵消方法，并基于拓扑功能单胞设计了四类热超构器件，即热连接、热反射、热集中、热隐身超构器件。图3展示了一种新型热连接超构器件的理论仿真、结构仿真、3D打印样件、热学实验的结果及对比；图4展示了其他三类热超构器件的研究结果。在给定两种自然材料下，拓扑优化设计的热超构材料为实现全参数各向异性热传导张量空间的遍历提供了有效途径，也进一步为实现热流的自由操纵、先进热超构器件的设计奠定了基础。

图3 热连接超构器件设计、仿真、制备与实验结果

图4 三类热超构器件（热反射、热集中和热隐身）设计、仿真、制备与实验结果

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41524-022-00861-0

转自：“知社学术圈”微信公众号

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