近日，中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系何立群課題組在熱超材料設計方法上，首次將熱源納入溫度坐標變換框架內，根據功率分布以及目標溫度場直接確定區域內材料所需的導熱系數張量分布，并提出了實現目標溫度場的等價常規材料拓撲結構方法。研究成果以“Inverse Design of Active-Source Metamaterials for Thermal Camouflage with Arbitrary Active Sources”為題于4月15日發表在《先進科學》上。
 

圖 1 坐標變換框架下求解有源傅里葉傳熱方程的兩步法
 

　　熱超材料(Thermal Metamaterials)是一類人工設計的熱學材料，目的是通過設計材料熱傳輸性質來規劃材料內的熱流路徑，適用于那些常規熱管路系統難以勝任的熱傳輸管理場合，比如熱隱身、熱聚焦，甚至熱幻覺等特殊熱功能(圖1a)。在數學上，熱超材料設計就是根據目標溫度場，對無源傅里葉傳熱方程進行坐標變換，從而獲得材料熱傳輸物性張量空間分布。但在熱應用中，無論是能源高效率熱利用還是集成電路的高效散熱，熱源管理才是問題的核心。為此，作者成功研究了坐標變換框架下求解有源傅里葉傳熱方程的兩步法(圖1b-e)，并通過設計典型熱功能器件及其新形式，從理論到實驗證明了新理論的兼容性與擴展性(圖2)。本文工作為熱超材料與熱源緊密結合，實現能量收集部件、高功率散熱部件等結合熱超材料的一體化設計提供了通用設計理論。
 

　　論文第一作者為熱科學和能源工程系研究生曹先容、童子峰以及副研究員年永樂博士，浙江大學成正東教授、中國科學技術大學何立群副教授為通訊作者。該工作得到科技部重點研發項目資助(2021YFF0601004-01)。
 

圖 2 坐標變換框架下不同熱源形狀下的熱超材料設計