供稿人：代鑫、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-03-04
傳熱是支撐能量傳輸?shù)幕粳F(xiàn)象，如今控制熱量對于解決全球變暖、能源危機和電子設(shè)備加熱等問題尤為重要。近年來，材料科學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展激發(fā)了傳熱研究的復(fù)興。一方面，針對加熱、冷卻和收集能量的傳統(tǒng)目的，正在出現(xiàn)具有更高效率、準(zhǔn)確性、適應(yīng)性、可調(diào)節(jié)性和緊湊性的新方法。另一方面，已經(jīng)提出了將熱量視為信息載體并對其進(jìn)行操作以進(jìn)行通信、檢測、反檢測和計算的新應(yīng)用。這些進(jìn)展催生了多個研究方向，包括導(dǎo)熱超材料、納米聲子學(xué)以及遠(yuǎn)場和近場熱輻射管理。對熱管理和控制的復(fù)雜工具和方法的需求引發(fā)了導(dǎo)電熱超材料、納米聲學(xué)、遠(yuǎn)場和近場輻射熱管理等領(lǐng)域的快速發(fā)展和進(jìn)一步探究。
圖1 操縱熱傳導(dǎo)的宏觀方法
目前許多關(guān)于操縱熱傳導(dǎo)的研究路線都是基于微觀機制的，但在宏觀尺度上，自由度更少；因此，設(shè)計熱導(dǎo)率的空間分布（包括幾何邊界和界面）構(gòu)成了目前大多數(shù)的被動方法。一個例子是熱斗篷，它可以防止熱量進(jìn)入隱身 區(qū)域，以保持均勻的內(nèi)部溫度而不干擾外部場。在此基礎(chǔ)上，實驗證明了一種基于變換的熱斗篷如圖1a所示。為了實際實現(xiàn)，需要將隱形殼離散成N個均勻?qū)?，然后根?jù)有效介質(zhì)理論，在銅板上鉆孔，并填充聚二甲基硅氧烷，可以實現(xiàn)均勻但各向異性的每層。早期的實驗工作證明了一種僅基于兩種天然大塊材料（均勻性和各向同性）的多層熱斗篷。這個想法也是基于變換理論，但只工程的導(dǎo)熱系數(shù)和工作在穩(wěn)定狀態(tài)實現(xiàn)一個理想的基于轉(zhuǎn)換的熱斗篷仍然具有挑戰(zhàn)性。如果采用直接求解熱傳導(dǎo)方程，雙層斗篷由內(nèi)層聚二甲基硅氧烷和外層銅制成，可以制造出由內(nèi)絕緣殼和外導(dǎo)電殼組成的雙層斗篷，保護(hù)其內(nèi)部免受熱輻射而不使其扭曲如圖1b的紅線所示，由此可達(dá)到操縱熱傳導(dǎo)的宏觀方法。
圖2微觀熱傳導(dǎo)操控方法
一種廣泛使用的操縱熱傳導(dǎo)的微觀方法是修改聲子的壽命，這可以通過改變表面粗糙度來實現(xiàn) 。另一種可能的方法是通過設(shè)計納米結(jié)構(gòu)器件來改變聲子的性質(zhì)，這具有挑戰(zhàn)性，但在納米制造的最新進(jìn)展中引起了強烈的興趣。目前科學(xué)界廣泛關(guān)注的聲子的波性質(zhì)應(yīng)用于兩種類型的系統(tǒng)，分別是納米聲晶體和納米聲超材料。為了區(qū)分操縱熱聲子的聲子晶體和影響彈性波的聲子晶體，前者通常被稱為納米聲子晶體（NPC）。 NPC 可以是1D超晶格（其中材料特性的周期性變化僅發(fā)生在一個方向，圖 2a）、2D納米網(wǎng)格（圖 2b）或 3D（圖 2c）。這些周期性結(jié)構(gòu)引起的波干涉會引起許多在傳統(tǒng)塊狀材料中觀察不到的現(xiàn)象，例如布里淵區(qū)折疊和帶隙打開等。
圖3 遠(yuǎn)場熱輻射操控
在熱的操控過程中熱輻射是普遍存在的，任何物體在有限溫度下都會由于粒子和準(zhǔn)粒子的熱誘導(dǎo)運動而發(fā)出熱輻射。傳統(tǒng)的熱發(fā)射器具有一系列共同的特性如圖3a，它們限制了它們控制傳熱過程的能力。最近在使用亞波長結(jié)構(gòu)方面的進(jìn)展導(dǎo)致了與傳統(tǒng)材料非常不同的性質(zhì)，在間隙大小與之相當(dāng)或小于熱波長的近場區(qū)域中，輻射傳熱量可以明顯大于遠(yuǎn)場區(qū)域。一些應(yīng)用在其特征尺寸與熱輻射波長相當(dāng)?shù)募{米結(jié)構(gòu)中(圖3b)，一個人可以設(shè)計控制發(fā)射率ε的所有方面的結(jié)構(gòu)。這些方法為控制熱輻射的基本方面提供了新的能力，并為應(yīng)用開辟了新的機會。
本文提供了一個統(tǒng)一的視角來看待傳熱的控制 ，總結(jié)了物理參數(shù)操縱的互補范例和人工結(jié)構(gòu)傳熱現(xiàn)象的實現(xiàn)。重點評審了熱流控制的三大主要類別，強調(diào)了宏觀和微觀尺度上的熱傳導(dǎo)和輻射操控。本文分析了傳熱操控這一研究領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)，并為拓?fù)錈嵝?yīng) 、熱浪和量子熱效應(yīng)研究提供了新的可能的方向。