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連續(xù)金屬纖維嵌入式3D打印非共形熱隱形超材料

供稿人:李武丹、田小永 供稿單位:西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  發(fā)布日期:2025-05-24

熱超材料代表了控制和縱熱流的一種有前途的途徑,獲得了典型的設(shè)備,如熱斗篷、熱旋轉(zhuǎn)器和熱集中器。然而,由于設(shè)計(jì)和制造挑戰(zhàn),對非共形幾何熱超元器件的理論和實(shí)驗(yàn)研究仍然有限。突出的傳統(tǒng)制造方法,如層壓和逐層組裝、基于模具的鑄造以及與 3D 打印和線切割方法相結(jié)合的工藝,在制造具有高結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械性能的復(fù)雜組件方面一直面臨挑戰(zhàn)。

西安交通大學(xué)田小永教授團(tuán)隊(duì)采用共形離散理論(CDT)來簡化熱傳導(dǎo)張量,將非共形熱學(xué)超材料的復(fù)雜熱傳導(dǎo)張量弱化為一個(gè)角度張量,從而降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。提出了一種新穎的連續(xù)金屬纖維嵌入式3D打印方法,將金屬和聚合物結(jié)合在一起,無需熔化銅,通過在聚合物的熔點(diǎn)處嵌入金屬纖維的原理,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜各向異性結(jié)構(gòu)的制造。這種方法能夠精確控制具有高低熱導(dǎo)率材料的分布,克服了傳統(tǒng)制造方法的局限性。

圖1 非共形斗篷的設(shè)計(jì)

通過有限元模擬對不同直徑的銅線進(jìn)行參數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅線直徑增加到0.3毫米、0.4毫米和0.5毫米時(shí),熱隱身效果達(dá)到最優(yōu)。在熱流通道中,溫度在隱身區(qū)域的起點(diǎn)到終點(diǎn)沒有明顯變化,說明熱隱身效果良好。使用紅外相機(jī)等設(shè)備對制造的非共形熱隱身衣進(jìn)行熱流分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢一致,證明了所制造的熱隱身衣具有良好的熱隱身效果。在平行熱流和串聯(lián)熱流兩種情況下,熱隱身衣都能夠有效地引導(dǎo)熱流繞過指定區(qū)域,使該區(qū)域保持溫度穩(wěn)定。

圖2 具有串聯(lián)熱流的非共形熱隱形效應(yīng)

該研究成果為航空航天熱防護(hù)、電子設(shè)備散熱等高端領(lǐng)域提供了可行的技術(shù)解決方案。通過在3D打印過程中實(shí)現(xiàn)金屬與聚合物的原位復(fù)合,避免了傳統(tǒng)工藝中的界面結(jié)合、后處理等難題。隨著電子設(shè)備向高性能、高集成度方向發(fā)展,航空航天器件對熱管理提出更高要求,這種能夠?qū)崿F(xiàn)熱量精確調(diào)控的制造技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn):

  1. M J Ahmad, X Tian, X Dai, et al. Non-conformal thermal cloak metamaterial by continuous metal fiber embedded 3D printing[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2025. 242https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126796
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