突破性熱偽裝技術(shù)：9倍熱超散射技術(shù)實現(xiàn)新進展

實測紅外圖像顯示，一個微小核心能產(chǎn)生與大型物體同等強度的熱擾動。

熱量是頑固的。與光或聲不同，它不以清晰的束流或波的形式傳播，難以被工程師用小型設(shè)備彎曲、聚焦或隱藏。相反，熱量通過擴散緩慢而持續(xù)地蔓延，在移動過程中模糊溫度分布。這使得控制物體在熱感應(yīng)相機中的呈現(xiàn)方式或它們與熱環(huán)境的交互變得困難。迄今為止，管理熱量的唯一可靠方法依賴于厚重的隔熱層、笨重的散熱器或大型被動結(jié)構(gòu)。

一項新研究為這一問題提供了解決方案。研究作者展示了一種設(shè)備，能使一個小物體在不改變自身的情況下，對熱流的擾動強度達到一個半徑大九倍的物體的效果。該系統(tǒng)通過沿精心設(shè)計的邊界主動注入和移除熱量，迫使熱流環(huán)繞物體流動，仿佛該物體比實際尺寸大得多。其結(jié)果是一個緊湊的物體留下了遠大于其物理尺寸的熱"足跡"。科學(xué)家稱之為"熱超散射"。

"這種方法能夠突破物理尺寸限制來操控?zé)崽卣鳎跓岢阵w/超熱源、熱偽裝和能量管理方面具有潛在應(yīng)用價值，"研究作者指出。

為何熱量如此難以操控？

工程師們已經(jīng)知道如何利用圖案化材料引導(dǎo)穩(wěn)態(tài)熱流，這一領(lǐng)域被稱為"熱學(xué)"。其中，一個強大的分支——變換熱學(xué)，借鑒物理學(xué)的數(shù)學(xué)工具來重塑熱量在空間中的擴散方式。科學(xué)家不再重新設(shè)計物體本身，而是重新設(shè)計物體周圍的熱流路徑。如果操作得當(dāng)，可以使一個外殼外部的溫度分布與另一個尺寸或形狀完全不同的虛擬物體相匹配。

然而，當(dāng)研究人員試圖將這一想法推向極致時，問題出現(xiàn)了。要讓一個小物體表現(xiàn)得像一個更大的物體，數(shù)學(xué)上要求周圍外殼的一部分具有"負熱導(dǎo)率"。這種材料將無需外部能量就能將熱量從較冷區(qū)域驅(qū)動到較熱區(qū)域——這是被動材料不可能實現(xiàn)的（熱量從較熱區(qū)域流向較冷區(qū)域，這是熱力學(xué)的基本規(guī)則）。這一要求多年來阻礙了熱超散射的實際演示。

使用三個邊界解決問題

新研究摒棄了純被動外殼的想法。相反，研究人員用一種"主動熱超表面"——即布設(shè)可控加熱和冷卻元件的邊界——替代了這種不可能的材料。

研究團隊從一個參考問題入手。在這個理想場景中，一個具有熱導(dǎo)率κ?的大物體位于熱導(dǎo)率為κ_b的背景材料中。這個大物體強烈扭曲了周圍的溫度場。

然后，研究人員設(shè)計了一個小得多的物理物體，將其包裹在一個外殼中，并利用數(shù)學(xué)坐標(biāo)變換將兩種情形聯(lián)系起來。目標(biāo)是使選定邊界外的溫度和熱流在兩種情況下完全相同。

該變換將三個邊界聯(lián)系在一起：內(nèi)部物體邊界ρ?(θ)、外殼邊界ρ?(θ)以及代表放大物體表觀尺寸的外部"虛擬"邊界ρ?(θ)。它們通過一個簡單的關(guān)系式關(guān)聯(lián)：ρ?ρ? = ρ?2。

求解方程后發(fā)現(xiàn)，外殼通常需要在不同方向上具有不同的熱傳導(dǎo)能力，并且隨位置變化。更重要的是，負責(zé)實現(xiàn)超散射的區(qū)域最終需要具有等效的負熱導(dǎo)率。

研究人員沒有嘗試制造這種不可能的外殼，而是保留了一個具有正常、正熱導(dǎo)率的外殼，并添加了一個主動邊界。沿該邊界，他們施加了經(jīng)過精確計算的熱通量模式。

簡而言之，邊界元件要么注入熱量，要么抽走熱量，恰好提供了負材料本該具備而缺失的行為。從數(shù)學(xué)上講，根據(jù)定義的符號約定，所需的邊界熱源q?與法向熱通量q?的關(guān)系為 q? = ?2q?。

由于這些邊界元件消耗電能，它們并不違反熱力學(xué)定律。它們充當(dāng)了微小的分布式熱泵，而非違反物理定律的被動材料。

從方程到工作裝置

為了通過實驗驗證這一想法，研究團隊聚焦于一個簡單的圓形幾何結(jié)構(gòu)和一個超隔熱案例——即虛擬物體完全阻擋熱流。

實驗裝置使用銅板作為背景材料。水浴將銅板兩端溫度分別固定在320 K和287 K，形成穩(wěn)定的溫度梯度。中心放置著一個半徑僅為10毫米的小型隔熱圓盤。

研究人員在其周圍半徑30毫米處，布置了一個由10個熱電模塊組成的環(huán)。這些器件可以根據(jù)電流方向進行加熱或冷卻，非常適合進行主動控制。

每個模塊覆蓋圓環(huán)的36°扇形段，近似實現(xiàn)了理論預(yù)測的連續(xù)邊界。讓系統(tǒng)穩(wěn)定約30秒后，團隊使用紅外相機測量了表面溫度。

為了比較，他們研究了四種情況：均勻銅板、單獨的小隔熱區(qū)域、半徑為90毫米的大隔熱區(qū)域，以及小隔熱區(qū)域搭配主動控制環(huán)的情況。

結(jié)果令人印象深刻。當(dāng)控制環(huán)按計算出的熱通量模式驅(qū)動時，測得的溫度場與遠大的隔熱區(qū)域的溫度場高度吻合。

"實驗驗證表明，所制造的超散射器將一個小型隔熱圓形區(qū)域的熱散射特征放大了九倍，有效地模擬了半徑大九倍的圓形區(qū)域的散射特征，"研究作者表示。

計算機模擬支持了測量結(jié)果，并表明只要邊界控制遵循變換規(guī)則，該方法同樣適用于非圓形形狀。

一種實用的熱超散射方法

這項工作改變了穩(wěn)態(tài)熱控制的可能性。通過用主動熱超表面替代不可能的材料，研究人員為熱超散射和熱幻象開辟了一條實用途徑。

原則上，該方法有助于重塑用于紅外偽裝的熱特征，改善緊湊型電子設(shè)備的熱管理，或引導(dǎo)能量收集系統(tǒng)中的熱流。

接下來，研究人員的目標(biāo)是提高效率，探索更復(fù)雜的形狀，并將該概念擴展到更廣泛的熱學(xué)場景。

該研究已發(fā)表在《先進科學(xué)》期刊上。

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