[论文解读] Temperature-dependent transformation thermotics: From switchable thermal cloaks to macroscopic thermal diodes

Ying Li, Xiangying Shen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 11

一句话总结

本文提出温度依赖型变换热学理论，一种理论框架，可利用热导率随温度变化的材料实现宏观热控。该研究展示了可切换的热隐身衣，并通过形状记忆合金的温度触发结构转变，实验实现了宏观热二极管，实现单向导热，热整流比最高达30。

ABSTRACT

The macroscopic control of ubiquitous heat flow remains poorly explored due to the lack of a fundamental theoretical method. Here, by establishing temperature-dependent transformation thermotics for treating materials whose conductivity depends on temperature, we show analytical and simulation evidence for switchable thermal cloaking and a macroscopic thermal diode based on the cloaking. The latter allows heat flow in one direction but prohibits the flow in the opposite direction, which is also confirmed by our experiments. Our results suggest that the temperature-dependent transformation thermotics could be a fundamental theoretical method for achieving macroscopic heat rectification, and provide guidance both for macroscopic control of heat flow and for the design of the counterparts of switchable thermal cloaks or macroscopic thermal diodes in other fields like seismology, acoustics, electromagnetics, or matter waves.

研究动机与目标

• 为解决缺乏用于宏观热流控制的根本性理论方法，特别是针对非线性、温度依赖性材料的问题。
• 将变换热学理论——此前仅限于线性、温度无关材料——扩展至热导率随温度变化的材料。
• 设计并实验演示一种可切换热隐身衣，其在高温与低温下功能不同。
• 通过结构切换，利用仅均匀、各向同性材料实现具备单向导热能力的宏观热二极管。
• 提供一种可推广的框架，适用于声学、电磁学及地震学等其他波现象。

提出的方法

• 通过将坐标变换方法推广至包含温度依赖性热导率的情况，建立了温度依赖型变换热学理论框架，推导出修正的形变不变热传导方程。
• 提出一种径向坐标变换，其内半径随温度变化，实现可切换的隐身行为：高温时为A型隐身衣，低温时为B型隐身衣。
• 通过将反称A型与B型隐身衣组合成双层结构，设计出热二极管，基于隐身衣功能的切换实现非对称热流。
• 采用有效介质理论（EMT）实现该器件，使用铜与发泡聚苯乙烯（EPS）的层状复合材料，由形状记忆合金（SMA）执行器在临界温度触发结构转变。
• 利用有限元模拟验证在不同温度偏置下的热隐身与二极管效应。
• 通过SMA驱动的层结构重构物理实验，演示中心区域在绝缘态与导电态之间的转换，证实二极管行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 变换热学能否扩展至处理热导率随温度变化的材料？
• RQ2 能否设计出可切换热隐身衣，使其功能随温度自动改变？
• RQ3 此类可切换隐身衣能否用于构建具有强整流效应的宏观热二极管？
• RQ4 能否仅使用热导率恒定的材料，实验实现具备单向导热能力的热二极管？
• RQ5 该框架能否推广至声学或电磁学等其他波基系统？

主要发现

• 所提出的温度依赖型变换热学理论成功将经典变换热学推广至非线性、温度依赖性材料，实现了新型设计能力。
• 仿真结果验证了可切换热隐身衣：高温时（A型）工作，低温时（B型）失效，有效实现温度触发的隐身。
• 宏观热二极管设计在给定参数下实现最高30的热整流比，仿真与实验结果一致确认。
• 实验结果表明，当器件处于绝缘态（SMA收缩）时，中心区域温度恒定；当处于导电态（SMA膨胀）时，出现明显温度梯度，证实单向导热。
• 该二极管仅使用均匀、各向同性材料（铜与EPS）及SMA驱动的结构转变实现，无需依赖本征温度依赖性材料。
• 器件表现出明显非对称行为：当SMA膨胀（导电）时，热量可轻松从左向右流动；当SMA收缩（绝缘）时，热流被阻断，验证了二极管功能。