南科大李保文Device：纯固态多功能热学超构材料助力热管理应用 | Cell Press对话科学家

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2024年8月8日，南方科技大学材料科学与工程系和物理系李保文教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Metamaterials based on solid composites enable continuous and tunable thermal conductivity anisotropy for thermal management applications”的最新成果。作者设计了一种固体复合材料制成的多功能热学超构材料，通过简单地旋转基元可以实现热导率各向异性的连续调节，将多种热流操控功能集成在一个器件上。

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研究亮点

1. 本研究利用常见的固体材料设计了一种纯固态的多功能热学超构材料；

2. 该热学超构材料可实现热导率各向异性的连续调节，从而在背景温度场几乎不受干扰的情况下，实现热流大小和方向的连续调节；

3. 研究以电池热管理为例，实验证实了该热学超构材料在热管理领域方面潜在的应用价值，有望为热管理应用领域提供新的解决方案。

研究简介

热学超构材料是一种具有前瞻性和创新性的人工材料，其独特结构和热学性质为解决热管理难题带来新的可能性。借助精心设计的人造结构，热学超构材料能够实现热流的灵活操纵，展现了传统材料所无法比拟的热学性能。目前，它们可实现多种独特的热学功能，比如调控温度梯度或改变热流方向，突破了传统材料限制，为提升热管理系统性能提供了新方法。

然而，将热学超构材料应用于热管理中仍然面临挑战。为了应对复杂且多变的散热场景，一个高效的热管理系统必须具备以下特征：（1）根据环境变化能够快速反应做出自我调节；（2）多功能且功能自由切换；（3）具有便于封装且耐用的散热结构。在本研究中，作者设计了一种由固体复合材料构成的多功能热学超构材料。通过连续调节材料的等效各向异性热导率，我们可以实现多种热流调控功能间的相互切换。通过旋转具有夹层结构的基本单元（图1（A-C）所示），可实现热流大小与方向的连续调节，同时保持背景温度场几乎不受干扰。通过力热耦合的机械设计确保了该热学超构材料能够根据环境变化做出快速响应并做出相应调整。该超构材料由纯固态材料构成，符合封装要求，适用于各类热管理应用场景。 

图1. 基于纯固态材料的多功能热学超材料示意图。

作者首先通过有限元模拟验证了具有“三明治”夹层结构的基本单元可通过简单的旋转操作实现各向异性热导率的连续调节。该特性可用于构筑多功能热学超构器件。如图1（A-B）所示，多功能可调热超构材料由背景区域、功能层和控制区域三部分组成，功能区域由两个功能层构成，每层由27个可以自由转动的基本单元组成。通过旋转基本单元的方向，可连续调节控制区域内的热流大小与方向，如图2（A-C）所示，我们分别展示了调小、调大内部温度梯度以及旋转内部热流方向三种功能所对应的超构材料结构。图2（D-F）为对应的仿真模拟结果。图2（G-I）的数据结果也明了该热学超构材料可实现热流大小和方向的连续调节。

图2. 多功能热学超构材料的数值模拟与分析。

基于上述模拟结果，作者进一步实验验证了该热学超构材料的性能。具体实验装置如图3A所示，主要由不锈钢材料构成的热背景介质以及夹层结构（铜和聚苯乙烯的组合）基本单元构筑的功能层组成。将该器件的两端放入高低温恒温热源中（如图3B），在系统达到稳态后，通过红外摄像机获得器件整体的温度分布，如图3（C-E）所示。在图3（C）中，当器件处于热低温度梯度状态（a = 0°），控制区域内温度均匀恒定且低于背景温度；在图3D中，当器件处于热流旋转状态0° < a < 90°（以a = 45°为例）时，控制区域内的温度分布相较于背景很明显地被扭转了一个角度；如图3（E）所示，当器件处于高温度梯度状态（a = 90°），控制区域内的温度梯度得到增强显著高于背景。这些实验结果证实了这三种基本功能均可实验实现，与图2（D-F）中的模拟结果几乎一致，从而证实了该超构材料结构确实可以通过简单的基元旋转操作实现多种热流调控功能的自由切换。

图3. 多功能热学超构材料基本功能的实验验证。

在实验验证了器件的基本功能后，作者进一步探索了热学超构材料在热管理方面的应用，并以汽车电池热管理为例展示了其效果。具体应用场景如图4（A-B）所示，其中电动汽车电池在高温环境下需要有效散热，在低温环境下需要有效隔热以保持内部热量。通过对功能层中基本单元的原位旋转，器件可切换功能以满足不同的散热需求。在低温下，超构材料切换至低温度梯度状态，从而有效隔热以防止热量损失；随着温度升高，超构材料智能切换到高温度梯度状态，快速将电池产生的热量散发至环境中。上述演示说明该超构材料可根据环境温度调整散热能力，以确保最佳电池性能。图4（C-F）通过模拟与实验的对比证实了器件在热管理应用上的有效性。

图4. 热学超构材料在电池热管理领域应用的实例验证。

综上，作者设计了一种固体复合材料制成的多功能热学超构材料，通过简单地旋转基元可以实现热导率各向异性的连续调节，将多种热流操控功能集成在一个器件上。为了实现功能的快速切换，作者们设计了一种力热耦合的机械系统，实现了温度探测器与数控电路之间的互动，使器件能够快速响应环境温度变化，同时满足封装要求，以适用于各种热管理应用场景。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者李保文教授进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

李保文教授：

本工作主要是通过常见的固态材料实现了多功能的热学超构器件，仅需要原位旋转基本单元即可实现功能切换。相较于先前的研究，本研究的最大亮点在于通过简单的结构设计将多种功能集成到一个器件中，并验证了其在热管理领域的实际应用潜力。在此之前，有理论预测，在热学中若要将高、低温度梯度和热流旋转这三种功能聚集在一个器件上，需要材料的热传导系数至少跨越四个数量级，这在实验上难以实现。先前的研究为了实现这一热导率要求，曾尝试通过引入热对流效应以获得等效的热导率变化，或者调节形状记忆合金的开合等方法，但这些方法都对实际应用带来了限制。本研究仅采用纯固态的常规材料即可实现多功能的热学超构材料，突破了在实际应用上的限制，为热学超构材料/器件在工程上的应用带来了新的可能性。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

李保文教授：

在本研究的进行过程中，如何实现功能的智能切换是最具挑战的部分。热学超构器件的功能层由众多夹层结构的基本单元组成，需要在功能切换时对这些基本单元进行原位旋转。因此，如何快速而有效地实现功能的切换直接影响了器件对外部环境温度变化的敏感响应能力。通过引入力热耦合的机械系统，我们成功实现了基本单元的原位旋转，该系统可以根据温度反馈进行调节，使功能切换更加迅速。这样，我们能够实时地根据环境温度的变化来智能地调整器件的功能，确保其在不同热场下的高效运行。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

李保文教授：

基于我们的研究成果，我们将继续深入探索热学超构材料/器件在工程领域的实际应用。虽然我们的研究初步验证了热学超构材料在热管理中的潜力，但在这个领域仍存在许多问题需要解决和探讨。未来，我们计划以此为基础，结合具体应用场景展开研究，优化结构设计，进一步提升热学性能，实现功能智能化，并最终将其技术化，推进实际应用。

CellPress：

最后，请您与我们分享一下选择Device的原因。

李保文教授：

Device是Cell Press细胞出版社旗舰期刊，是Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊。Device期刊发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。其目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。我们的工作是关于热学超构器件的研究，并通过实验证实在热管理等实际应用领域表现出巨大潜力，十分符合Device期刊的内容范围和定位。我们相信Device能够提高本工作在工程领域的影响力，因此我们选择了Device进行了投稿。

作者介绍

李保文

教授

李保文，欧洲科学院（Academia Europaea）院士，美国物理学会(APS)会士，南方科技大学材料科学与工程系和物理系双聘讲席教授。李保文教授是新兴研究领域-声子学和热超结构材料研究的开拓者。研究领域包括：相干声子和非相干声子调控，微纳米声子热输运，量子混沌，复杂网络。撰写和合著了400多篇论文，包括3篇《现代物理评论》（RMP）和30篇《物理评论快报》（PRL），引用次数超过34000次，H指数97。发表了300多次大会报告、主旨演讲、应邀/研讨会演讲，并获奖多项，包括2005年新加坡国家科学奖，2005年海外华人物理会亚洲成就奖，2017年国际声子学会布里渊奖章。培养博士生和博士后100多名。

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研究成果发表在Cell Press旗下Device期刊上，

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▌论文标题：

Metamaterials based on solid composites enable continuous and tunable thermal conductivity anisotropy for thermal management applications

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S266699862400396X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100500

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