供稿人：代鑫、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-03-04
传热是支撑能量传输的基本现象，如今控制热量对于解决全球变暖、能源危机和电子设备加热等问题尤为重要。近年来，材料科学和物理学的发展激发了传热研究的复兴。一方面，针对加热、冷却和收集能量的传统目的，正在出现具有更高效率、准确性、适应性、可调节性和紧凑性的新方法。另一方面，已经提出了将热量视为信息载体并对其进行操作以进行通信、检测、反检测和计算的新应用。这些进展催生了多个研究方向，包括导热超材料、纳米声子学以及远场和近场热辐射管理。对热管理和控制的复杂工具和方法的需求引发了导电热超材料、纳米声学、远场和近场辐射热管理等领域的快速发展和进一步探究。
图1 操纵热传导的宏观方法
目前许多关于操纵热传导的研究路线都是基于微观机制的，但在宏观尺度上，自由度更少；因此，设计热导率的空间分布（包括几何边界和界面）构成了目前大多数的被动方法。一个例子是热斗篷，它可以防止热量进入隐身 区域，以保持均匀的内部温度而不干扰外部场。在此基础上，实验证明了一种基于变换的热斗篷如图1a所示。为了实际实现，需要将隐形壳离散成N个均匀层，然后根据有效介质理论，在铜板上钻孔，并填充聚二甲基硅氧烷，可以实现均匀但各向异性的每层。早期的实验工作证明了一种仅基于两种天然大块材料（均匀性和各向同性）的多层热斗篷。这个想法也是基于变换理论，但只工程的导热系数和工作在稳定状态实现一个理想的基于转换的热斗篷仍然具有挑战性。如果采用直接求解热传导方程，双层斗篷由内层聚二甲基硅氧烷和外层铜制成，可以制造出由内绝缘壳和外导电壳组成的双层斗篷，保护其内部免受热辐射而不使其扭曲如图1b的红线所示，由此可达到操纵热传导的宏观方法。
图2微观热传导操控方法
一种广泛使用的操纵热传导的微观方法是修改声子的寿命，这可以通过改变表面粗糙度来实现 。另一种可能的方法是通过设计纳米结构器件来改变声子的性质，这具有挑战性，但在纳米制造的最新进展中引起了强烈的兴趣。目前科学界广泛关注的声子的波性质应用于两种类型的系统，分别是纳米声晶体和纳米声超材料。为了区分操纵热声子的声子晶体和影响弹性波的声子晶体，前者通常被称为纳米声子晶体（NPC）。 NPC 可以是1D超晶格（其中材料特性的周期性变化仅发生在一个方向，图 2a）、2D纳米网格（图 2b）或 3D（图 2c）。这些周期性结构引起的波干涉会引起许多在传统块状材料中观察不到的现象，例如布里渊区折叠和带隙打开等。
图3 远场热辐射操控
在热的操控过程中热辐射是普遍存在的，任何物体在有限温度下都会由于粒子和准粒子的热诱导运动而发出热辐射。传统的热发射器具有一系列共同的特性如图3a，它们限制了它们控制传热过程的能力。最近在使用亚波长结构方面的进展导致了与传统材料非常不同的性质，在间隙大小与之相当或小于热波长的近场区域中，辐射传热量可以明显大于远场区域。一些应用在其特征尺寸与热辐射波长相当的纳米结构中(图3b)，一个人可以设计控制发射率ε的所有方面的结构。这些方法为控制热辐射的基本方面提供了新的能力，并为应用开辟了新的机会。
本文提供了一个统一的视角来看待传热的控制 ，总结了物理参数操纵的互补范例和人工结构传热现象的实现。重点评审了热流控制的三大主要类别，强调了宏观和微观尺度上的热传导和辐射操控。本文分析了传热操控这一研究领域所面临的挑战，并为拓扑热效应 、热浪和量子热效应研究提供了新的可能的方向。