南科大李保文团队研发纯固态多功能热学超构材料，助力热管理应用
南科大李保文团队研发纯固态多功能热学超构材料，助力热管理应用
南方科技大学李保文教授团队在热管理领域取得重要突破，他们设计出一种纯固态多功能热学超构材料，通过简单旋转基元即可实现热导率各向异性的连续调节。这一创新成果为热管理应用提供了新的解决方案，相关研究发表在Cell Press旗下期刊Device上。
研究背景与创新点
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。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，李保文教授团队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，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，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。
数值模拟与实验验证
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。
图3. 多功能热学超构材料基本功能的实验验证。
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，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。实验结果证实了这三种基本功能均可实验实现，与数值模拟结果几乎一致，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。
应用前景
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。综上，李保文教授团队设计的这种多功能热学超构材料，不仅在理论上实现了热导率各向异性的连续调节，还在实验中验证了其在热管理领域的实际应用潜力，为热管理应用领域提供了新的解决方案。
本文原文来自南方科技大学新闻网，原文链接：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_28484317