熱超構(gòu)材料巧引熱流，織就“隱身衣”，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域還有待發(fā)掘
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2023-04-18 16:20:16
|
伴隨著紅外探測技術(shù)的不斷演進，紅外隱身技術(shù)的發(fā)展也步入快車道。然而在很長一段時間內(nèi)，受限于材料本身的物理性質(zhì)，人們還是采用降低溫度、改進設(shè)計、借助涂層等傳統(tǒng)方法來減少紅外輻射。直到2008年，超構(gòu)材料的概念及相關(guān)研究拓展到熱學(xué)領(lǐng)域，才為熱隱身裝置的選材提供了一個全新的方向——熱超構(gòu)材料。 科學(xué)家們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)能源消耗之后有很大一部分轉(zhuǎn)化成熱能。由于難以利用，這部分熱能常被看作廢能。于是如果能把浪費掉的巨大熱能利用起來，將大大緩解能源危機問題。而熱超構(gòu)材料具有非常規(guī)等效物理參數(shù)，呈現(xiàn)出天然材料所難以實現(xiàn)的超常物理性質(zhì)，能很好解決熱能高效利用的問題。 發(fā)展至今，熱超構(gòu)材料雖然還處于實驗階段，卻已模擬驗證了限制條件下的熱隱身，理論預(yù)言了熱偽裝以及熱幻象等熱流控制功能。今天，就讓我們一起走近熱超構(gòu)材料，了解它是如何通過對熱流的巧妙編織，實現(xiàn)熱學(xué)領(lǐng)域的各種奇妙偽裝的。 關(guān)于熱超構(gòu)材料 熱超構(gòu)材料是具有人工結(jié)構(gòu)的材料或器件，其以新穎的方式控制熱傳導(dǎo)、對流和輻射，實現(xiàn)自然材料所不能實現(xiàn)的性質(zhì)或功能。 變換熱學(xué)理論是指基于兩種不同空間之間的坐標(biāo)變換而實現(xiàn)的一種把空間幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)精確耦合進熱導(dǎo)率等熱學(xué)物理量的一種理論方法，該方法使得利用人工幾何結(jié)構(gòu)對熱輸運進行精確調(diào)控成為可能。自由操控?zé)崃饕恢笔侨祟惖囊粋€夢想，熱超構(gòu)材料正是為此目的應(yīng)運而生，其正起源于變換熱學(xué)理論及其擴展理論(即“理論熱學(xué)”)。 能源消耗之后有很大一部分轉(zhuǎn)化成熱能。由于難以利用，這部分熱能常被看作廢能。如果能把浪費掉的巨大熱能利用起來，將大大緩解能源危機問題。而熱超構(gòu)材料具有非常規(guī)等效物理參數(shù)，呈現(xiàn)出天然材料所難以實現(xiàn)的超常物理性質(zhì)，能很好解決熱能高效利用的問題。 從“光隱身”到“熱隱身” 談起冷熱，大家并不陌生。寒來暑往、春嵐秋風(fēng)，都涉及熱量的變化流動。但在長期以來的固有印象中，“熱”都是作為一種感受而出現(xiàn)，與事物的表里溫度緊緊聯(lián)系在一起。 隨著科技發(fā)展，人類從雨雪風(fēng)霜、電閃雷鳴等自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)了能量，并逐漸發(fā)明出“馴化”這些能量的神奇工具。這其中就包括超構(gòu)材料。簡單來說，超構(gòu)材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)材料的物理性質(zhì)由材料幾何特性決定，并不只受材料本身特性影響。如果把普通材料比作一條紙帶，那超構(gòu)材料則是將這條紙帶扭轉(zhuǎn)對接成莫比烏斯環(huán)，從而具備迥異的物理特性。 20世紀(jì)90年代，超構(gòu)材料首先在電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，實驗呈現(xiàn)出光學(xué)負(fù)折射等新奇現(xiàn)象，也為真正意義上的光學(xué)隱身提供了理論基礎(chǔ)。這就好比《哈利·波特》里那頂神奇的“隱身斗篷”，超構(gòu)材料利用自身特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料即可實現(xiàn)隱身遁形，觀者就像被施了“障眼法”一般。 后來，有學(xué)者把超構(gòu)材料的概念拓展到了聲學(xué)、彈性波，甚至力學(xué)領(lǐng)域。但無論是光學(xué)、電磁學(xué)還是聲學(xué)、力學(xué)領(lǐng)域，對超構(gòu)材料的研究都基于一個共同理論基礎(chǔ)：傳播方式由波動方程（用來描述自然界中各種波動現(xiàn)象，如聲波、水波、光波等）主導(dǎo)。研究和操控波動方程，即可設(shè)計出具有隱身功能的光學(xué)和聲學(xué)超構(gòu)材料，這也讓“裁虹剪霓、披霞為衣”的美麗傳說開始走進現(xiàn)實。 而在熱學(xué)領(lǐng)域，熱傳導(dǎo)需要滿足擴散方程（用來研究氣體的擴散、液體的擴散、半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)擴散等問題）。擴散方程與波動方程的物理機制迥異，想將超構(gòu)材料由光學(xué)擴展到熱學(xué)領(lǐng)域，相當(dāng)于僅憑借物體本身特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，就看不到它的形貌，還測不準(zhǔn)它的溫度；又或者說，相當(dāng)于不僅給物體披上一件“光隱身斗篷”，還要披上一件“熱隱身斗篷”。這就更加難上加難了。 直到2008年，復(fù)旦大學(xué)黃吉平教授課題組首次利用變換熱學(xué)理論，設(shè)計出一類熱超構(gòu)材料，從理論上預(yù)言了熱隱身等新奇的熱學(xué)性質(zhì)，為人工控制熱流提供了一條全新的道路。此后，熱隱身和熱超構(gòu)材料受到了各國科研人員的廣泛關(guān)注。專家學(xué)者們不斷制備出各種具有新奇熱學(xué)性質(zhì)的熱超構(gòu)材料，探索著實現(xiàn)熱隱身的途徑。 雖然超構(gòu)材料在熱學(xué)領(lǐng)域起步較晚，但擴散方程的獨特物理性質(zhì)，讓其具備了獨特的發(fā)展優(yōu)勢。以光學(xué)超構(gòu)材料為例，基于波動方程的光學(xué)變換理論在實現(xiàn)上需要考慮頻率，目前研制的光學(xué)超構(gòu)材料往往應(yīng)用于某單一或狹窄頻段，呈現(xiàn)出來的光學(xué)隱身效果并不具備普遍適用性。而基于熱傳導(dǎo)方程的熱超構(gòu)材料則不存在頻率問題，具有更強的適用性，在足夠?qū)挿旱倪吔鐥l件中都可以表現(xiàn)良好，一旦實踐投產(chǎn)，在生產(chǎn)生活中的實用價值將更加凸顯。 隱蔽熱流，堵不如疏 熱學(xué)偽裝常規(guī)做法是平衡目標(biāo)與背景之間的熱輻射，最理想情況就是讓目標(biāo)的紅外特征完全融合到背景中。 從理論基礎(chǔ)上來看，傳統(tǒng)熱偽裝很難實現(xiàn)真正意義上的熱隱身效果。遇到溫差變化大的復(fù)雜環(huán)境，依靠熱遮蓋和熱絕緣固化了的紅外特征，反而還會暴露自身位置。相較于“堵住”熱輻射的傳統(tǒng)方法，熱超構(gòu)材料將功夫花到“疏導(dǎo)”熱流上，展現(xiàn)出更加廣闊的效能前景。 與相對成熟的光學(xué)或電磁隱身裝置類似，目前制備熱超構(gòu)材料的主要手段，都是通過整合不同材料來實現(xiàn)熱導(dǎo)率梯度的。由于變換熱學(xué)理論對材質(zhì)在不同方向上呈現(xiàn)的性質(zhì)差異要求很高，使得實驗驗證“熱隱身斗篷”等新奇的熱學(xué)器件面臨巨大挑戰(zhàn)。直到2012年，美國科學(xué)家才首次制備出真正意義上的“熱隱身斗篷”。而后，科研人員相繼實驗制備出熱隱身衣、熱聚集器和熱旋轉(zhuǎn)器。 熱隱身衣。相較于傳統(tǒng)隱身裝置，基于熱超構(gòu)材料引導(dǎo)熱流特性制備的隱身衣，能夠?qū)崟r引導(dǎo)背景熱流避開被保護的物體，無論隱身區(qū)域溫度如何變化，都不會對外界的溫度分布產(chǎn)生絲毫影響。一旦穿上這件熱隱身衣，你在紅外探測視角中就是完全隱身的，在雪地上是一片幽藍，在火場中則是一團火焰，完美復(fù)現(xiàn)環(huán)境紅外特征。 熱聚集器。引導(dǎo)熱流避開中間區(qū)域可以做到熱隱身，而引導(dǎo)熱流向中間區(qū)域靠攏就能實現(xiàn)熱聚集。這類裝置可以作為一種非侵入式的熱器件服務(wù)于熱電效應(yīng)，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率。 熱旋轉(zhuǎn)器?；谕瑯拥囊龑?dǎo)熱流原理，熱旋轉(zhuǎn)器的引導(dǎo)對象由背景換到了核心區(qū)域，通過材料設(shè)計實現(xiàn)對中心區(qū)域熱流的變換引導(dǎo)。從外部觀測中心區(qū)域紅外特征，就像整個空間旋轉(zhuǎn)了一個特定角度，從而出現(xiàn)一類海市蜃樓般的現(xiàn)象。 熱超構(gòu)材料設(shè)計仍面臨三大挑戰(zhàn) （1）利用變換熱學(xué)法設(shè)計熱超構(gòu)材料需采用各向異性材料參數(shù)，而常規(guī)材料往往不具備，使得實驗制備熱超構(gòu)材料難度大； （2）熱超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)形狀受限，以圓形、橢圓形等規(guī)則形狀的熱超構(gòu)材料制備居多，影響了熱超構(gòu)材料的工程適用性； （3）采用數(shù)值優(yōu)化方法設(shè)計熱超構(gòu)材料依賴背景溫度場和目標(biāo)超常熱學(xué)屬性，影響了設(shè)計的靈活性和熱超構(gòu)材料的全方位功能性。 （4）因此，如何設(shè)計并制備具有自由形狀且全方位功能性的熱超構(gòu)器件是熱超材料領(lǐng)域亟需解決的難題。 目前，具備穩(wěn)定特性、真正實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熱超構(gòu)材料還未面世，但憑借其在理論和實踐層面展現(xiàn)出來的獨特性能和實用前景，我們相信在不久的將來，熱超構(gòu)材料在高新技術(shù)領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用一定能夠?qū)崿F(xiàn)。隨著制備工藝的不斷完善和科技水平不斷發(fā)展，這一新興材料一定能廣泛地應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，為我們的日常生活帶來驚喜與改變。 文章來源： 解放軍報，中國科學(xué)報，復(fù)旦大學(xué)物理系， 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_525378.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
相關(guān)新聞
- [2024-06-28]·湖北宜化擬公開掛牌轉(zhuǎn)讓降解新材
- [2024-06-28]·廣信股份公開一項聚氨酯農(nóng)藥微膠
- [2024-06-28]·伊之密與海爾再度攜手，共筑智能
- [2024-06-28]·全球首列！更輕更節(jié)能的碳纖維地
- [2024-06-28]·稀土紅外反射中空隔熱聚酰胺纖維
- [2024-06-28]·盛禧奧在意大利開設(shè)PMMA先進回收
- [2024-06-28]·APS Elastomers推出新的耐高溫T
- [2024-06-28]·杜邦FROTH-PAK?環(huán)保型低壓雙組
- [2024-06-27]·科學(xué)家創(chuàng)制出無疲勞鐵電材料?有
- [2024-06-27]·亞納米尺度全暴露Pt團簇高效催化
主辦單位：山東省化工情報信息協(xié)會
山東省濟南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報信息協(xié)會 版權(quán)所有 備案號：魯ICP備2021036540號
山東省濟南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報信息協(xié)會 版權(quán)所有 備案號：魯ICP備2021036540號
魯公網(wǎng)安備 37010202001033號