近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系何立群课题组在热超材料设计方法上，首次将热源纳入温度坐标变换框架内，根据功率分布以及目标温度场直接确定区域内材料所需的导热系数张量分布，并提出了实现目标温度场的等价常规材料拓扑结构方法。研究成果以“Inverse Design of Active-Source Metamaterials for Thermal Camouflage with Arbitrary Active Sources”为题于4月15日发表在《先进科学》上。
图 1 坐标变换框架下求解有源傅里叶传热方程的两步法
热超材料(Thermal Metamaterials)是一类人工设计的热学材料，目的是通过设计材料热传输性质来规划材料内的热流路径，适用于那些常规热管路系统难以胜任的热传输管理场合，比如热隐身、热聚焦，甚至热幻觉等特殊热功能(图1a)。在数学上，热超材料设计就是根据目标温度场，对无源傅里叶传热方程进行坐标变换，从而获得材料热传输物性张量空间分布。但在热应用中，无论是能源高效率热利用还是集成电路的高效散热，热源管理才是问题的核心。为此，作者成功研究了坐标变换框架下求解有源傅里叶传热方程的两步法(图1b-e)，并通过设计典型热功能器件及其新形式，从理论到实验证明了新理论的兼容性与扩展性(图2)。本文工作为热超材料与热源紧密结合，实现能量收集部件、高功率散热部件等结合热超材料的一体化设计提供了通用设计理论。
论文第一作者为热科学和能源工程系研究生曹先容、童子峰以及副研究员年永乐博士，浙江大学成正东教授、中国科学技术大学何立群副教授为通讯作者。该工作得到科技部重点研发项目资助(2021YFF0601004-01)。
图 2 坐标变换框架下不同热源形状下的热超材料设计
