穩(wěn)健且可打印的自由形狀熱超材料

熱超材料在操縱、控制和處理熱流方面顯示出巨大的潛力，并使許多有前景的熱超材料器件成為可能。然而，存在3個(gè)長期挑戰(zhàn)，即轉(zhuǎn)換光學(xué)誘導(dǎo)的各向異性材料參數(shù)、試驗(yàn)熱元器件的有限形狀適應(yīng)性、背景溫度和熱功能的先驗(yàn)知識。

來自新加坡國立大學(xué)的仇成偉，華中科技大學(xué)的高亮、胡潤等研究者提出了穩(wěn)健而且可以打印的自由形狀熱超材料，以解決這些長期存在的困難。相關(guān)研究以Robustly printable freeform thermal metamaterials為題發(fā)表在Nature Communications上。

研究者提出了一種與BT無關(guān)的設(shè)計(jì)范式，用于穩(wěn)健可打印的自由熱超材料，可以一次性解決上述3個(gè)挑戰(zhàn)。研究者首先用變換光學(xué)方法計(jì)算所需的導(dǎo)熱張量，然后將整個(gè)域離散為具有局部微結(jié)構(gòu)的單個(gè)拓?fù)涔δ軉卧═FCs），這是利用模壓鋼（H13）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）兩種組成材料，通過拓?fù)鋬?yōu)化方法確定。由于不同TFC的局部熱導(dǎo)率不同，微觀結(jié)構(gòu)也不同。

以局部熱導(dǎo)張量為輸入，通過拓?fù)鋬?yōu)化對拓?fù)涔δ軉卧M(jìn)行自由設(shè)計(jì)，然后直接組裝打印。3種

自由形態(tài)的熱元器件（集中器、旋轉(zhuǎn)器和斗篷）是專門設(shè)計(jì)和3D打印的，其全方位集中、旋轉(zhuǎn)和隱身功能在數(shù)值和試驗(yàn)中都得到了證明。

該研究為先進(jìn)熱超材料的復(fù)雜形狀、全方位功能、背景溫度無關(guān)性和快速成型能力，奠定了強(qiáng)大而靈活的設(shè)計(jì)范式。

此外，通過定制拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，可以方便地將二維熱超材料擴(kuò)展為三維超材料。預(yù)計(jì)可穩(wěn)健打印的自由熱超材料可能與移動(dòng)、動(dòng)態(tài)或智能材料耦合，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的熱超材料。