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)全國重點實驗室 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)計和制造挑戰(zhàn)，對非共形幾何熱超元器件的理論和實驗研究仍然有限。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)田小永教授團隊采用共形離散理論（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)張量弱化為一個角度張量，從而降低設(shè)計復(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處嵌入金屬纖維的原理，實現(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
通過有限元模擬對不同直徑的銅線進行參數(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，熱隱身效果達(dá)到最優(yōu)。在熱流通道中，溫度在隱身區(qū)域的起點到終點沒有明顯變化，說明熱隱身效果良好。使用紅外相機等設(shè)備對制造的非共形熱隱身衣進行熱流分析實驗。實驗結(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、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。