热超构材料巧引热流，织就“隐身衣”，工业应用领域还有待发掘 -山东化工网

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热超构材料巧引热流，织就“隐身衣”，工业应用领域还有待发掘

文章来源：贤集网更新时间：2023-04-18 16:20:16

伴随着红外探测技术的不断演进，红外隐身技术的发展也步入快车道。然而在很长一段时间内，受限于材料本身的物理性质，人们还是采用降低温度、改进设计、借助涂层等传统方法来减少红外辐射。直到2008年，超构材料的概念及相关研究拓展到热学领域，才为热隐身装置的选材提供了一个全新的方向——热超构材料。

科学家们曾经发现能源消耗之后有很大一部分转化成热能。由于难以利用，这部分热能常被看作废能。于是如果能把浪费掉的巨大热能利用起来，将大大缓解能源危机问题。而热超构材料具有非常规等效物理参数，呈现出天然材料所难以实现的超常物理性质，能很好解决热能高效利用的问题。

发展至今，热超构材料虽然还处于实验阶段，却已模拟验证了限制条件下的热隐身，理论预言了热伪装以及热幻象等热流控制功能。今天，就让我们一起走近热超构材料，了解它是如何通过对热流的巧妙编织，实现热学领域的各种奇妙伪装的。

关于热超构材料

热超构材料是具有人工结构的材料或器件，其以新颖的方式控制热传导、对流和辐射，实现自然材料所不能实现的性质或功能。变换热学理论是指基于两种不同空间之间的坐标变换而实现的一种把空间几何结构参数精确耦合进热导率等热学物理量的一种理论方法，该方法使得利用人工几何结构对热输运进行精确调控成为可能。自由操控热流一直是人类的一个梦想，热超构材料正是为此目的应运而生，其正起源于变换热学理论及其扩展理论(即“理论热学”)。

能源消耗之后有很大一部分转化成热能。由于难以利用，这部分热能常被看作废能。如果能把浪费掉的巨大热能利用起来，将大大缓解能源危机问题。而热超构材料具有非常规等效物理参数，呈现出天然材料所难以实现的超常物理性质，能很好解决热能高效利用的问题。

从“光隐身”到“热隐身”

谈起冷热，大家并不陌生。寒来暑往、春岚秋风，都涉及热量的变化流动。但在长期以来的固有印象中，“热”都是作为一种感受而出现，与事物的表里温度紧紧联系在一起。

随着科技发展，人类从雨雪风霜、电闪雷鸣等自然现象中发现了能量，并逐渐发明出“驯化”这些能量的神奇工具。这其中就包括超构材料。简单来说，超构材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。这种结构材料的物理性质由材料几何特性决定，并不只受材料本身特性影响。如果把普通材料比作一条纸带，那超构材料则是将这条纸带扭转对接成莫比乌斯环，从而具备迥异的物理特性。

20世纪90年代，超构材料首先在电磁学和光学领域蓬勃发展，实验呈现出光学负折射等新奇现象，也为真正意义上的光学隐身提供了理论基础。这就好比《哈利·波特》里那顶神奇的“隐身斗篷”，超构材料利用自身特殊的复合结构或复合材料即可实现隐身遁形，观者就像被施了“障眼法”一般。

后来，有学者把超构材料的概念拓展到了声学、弹性波，甚至力学领域。但无论是光学、电磁学还是声学、力学领域，对超构材料的研究都基于一个共同理论基础：传播方式由波动方程（用来描述自然界中各种波动现象，如声波、水波、光波等）主导。研究和操控波动方程，即可设计出具有隐身功能的光学和声学超构材料，这也让“裁虹剪霓、披霞为衣”的美丽传说开始走进现实。

而在热学领域，热传导需要满足扩散方程（用来研究气体的扩散、液体的扩散、半导体材料中杂质扩散等问题）。扩散方程与波动方程的物理机制迥异，想将超构材料由光学扩展到热学领域，相当于仅凭借物体本身特殊的复合结构或复合材料，就看不到它的形貌，还测不准它的温度；又或者说，相当于不仅给物体披上一件“光隐身斗篷”，还要披上一件“热隐身斗篷”。这就更加难上加难了。

直到2008年，复旦大学黄吉平教授课题组首次利用变换热学理论，设计出一类热超构材料，从理论上预言了热隐身等新奇的热学性质，为人工控制热流提供了一条全新的道路。此后，热隐身和热超构材料受到了各国科研人员的广泛关注。专家学者们不断制备出各种具有新奇热学性质的热超构材料，探索着实现热隐身的途径。

虽然超构材料在热学领域起步较晚，但扩散方程的独特物理性质，让其具备了独特的发展优势。以光学超构材料为例，基于波动方程的光学变换理论在实现上需要考虑频率，目前研制的光学超构材料往往应用于某单一或狭窄频段，呈现出来的光学隐身效果并不具备普遍适用性。而基于热传导方程的热超构材料则不存在频率问题，具有更强的适用性，在足够宽泛的边界条件中都可以表现良好，一旦实践投产，在生产生活中的实用价值将更加凸显。

隐蔽热流，堵不如疏

热学伪装常规做法是平衡目标与背景之间的热辐射，最理想情况就是让目标的红外特征完全融合到背景中。

从理论基础上来看，传统热伪装很难实现真正意义上的热隐身效果。遇到温差变化大的复杂环境，依靠热遮盖和热绝缘固化了的红外特征，反而还会暴露自身位置。相较于“堵住”热辐射的传统方法，热超构材料将功夫花到“疏导”热流上，展现出更加广阔的效能前景。

与相对成熟的光学或电磁隐身装置类似，目前制备热超构材料的主要手段，都是通过整合不同材料来实现热导率梯度的。由于变换热学理论对材质在不同方向上呈现的性质差异要求很高，使得实验验证“热隐身斗篷”等新奇的热学器件面临巨大挑战。直到2012年，美国科学家才首次制备出真正意义上的“热隐身斗篷”。而后，科研人员相继实验制备出热隐身衣、热聚集器和热旋转器。

热隐身衣。相较于传统隐身装置，基于热超构材料引导热流特性制备的隐身衣，能够实时引导背景热流避开被保护的物体，无论隐身区域温度如何变化，都不会对外界的温度分布产生丝毫影响。一旦穿上这件热隐身衣，你在红外探测视角中就是完全隐身的，在雪地上是一片幽蓝，在火场中则是一团火焰，完美复现环境红外特征。

热聚集器。引导热流避开中间区域可以做到热隐身，而引导热流向中间区域靠拢就能实现热聚集。这类装置可以作为一种非侵入式的热器件服务于热电效应，从而提高能量转化效率。

热旋转器。基于同样的引导热流原理，热旋转器的引导对象由背景换到了核心区域，通过材料设计实现对中心区域热流的变换引导。从外部观测中心区域红外特征，就像整个空间旋转了一个特定角度，从而出现一类海市蜃楼般的现象。

热超构材料设计仍面临三大挑战

（1）利用变换热学法设计热超构材料需采用各向异性材料参数，而常规材料往往不具备，使得实验制备热超构材料难度大；

（2）热超构材料结构形状受限，以圆形、椭圆形等规则形状的热超构材料制备居多，影响了热超构材料的工程适用性；

（3）采用数值优化方法设计热超构材料依赖背景温度场和目标超常热学属性，影响了设计的灵活性和热超构材料的全方位功能性。

（4）因此，如何设计并制备具有自由形状且全方位功能性的热超构器件是热超材料领域亟需解决的难题。

目前，具备稳定特性、真正实现工业化生产的热超构材料还未面世，但凭借其在理论和实践层面展现出来的独特性能和实用前景，我们相信在不久的将来，热超构材料在高新技术领域的工业应用一定能够实现。随着制备工艺的不断完善和科技水平不断发展，这一新兴材料一定能广泛地应用到诸多领域，为我们的日常生活带来惊喜与改变。

文章来源：解放军报，中国科学报，复旦大学物理系，

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