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《自然·通讯》刊发我院高亮教授团队最新研究成果

作者:沙伟编辑:吴仰天发布:2021-12-20点击量:

12月10日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线刊发了我院高亮教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授、华中科技大学能源学院胡润副教授关于热超构材料拓扑优化设计的最新研究成果“Robustly printable freeform thermal metamaterials(稳健可打印的自由形状热超构材料)”。我院博士生沙伟、副教授肖蜜为论文共同第一作者,高亮教授、仇成伟教授、胡润副教授为论文共同通讯作者,华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室为论文第一完成单位。

超构材料因具有常规自然材料不具备的属性被学术界和工业界广泛关注,如力、热、声、电磁超构材料等,其中热超构材料因可操控热流获得一系列超常热学功能(如:热隐身、热集中、热伪装、热旋转等)备受关注。随着变换光学和散射抵消方法应用于热学领域,一系列具有不同功能的热超构材料纷纷被设计和制备,但是,目前热超构材料设计仍面临三大挑战:(1)利用变换热学法设计的热超构材料需采用非均匀、各向异性的材料参数,而常规材料往往不具备,使得实验制备热超构材料难度很大;(2)热超构材料结构形状受限,目前以圆形、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。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。

图1 稳健可打印的自由形状热超构材料拓扑优化设计

针对以上难题,研究团队提出了一种稳健可打印的自由形状热超构材料拓扑优化设计方法(图1),采用拓扑优化设计具有指定导热系数的拓扑功能单胞,组装生成热超构材料,开展了自由形状热超构材料拓扑优化设计-热超构器件增材制造-热学仿真与实验性能测试。研究团队按照上述思路,设计了具有自由形状的热集中、热旋转和热隐身等三类热超构材料构型,并开展了数值仿真(图2)和热学实验(图3)性能测试,结果表明无论热流从何种方向通过三种热超构材料,其内部各自呈现出良好的热集中、热旋转和热隐身效果。

图2 拓扑优化设计的三种热超构材料及其数值仿真温度场分布(左:热集中;中:热旋转;右:热隐身)

图3 3D打印制备的热超构器件及其热学实验温度场分布

研究团队采用拓扑优化方法设计了具有自由形状、全方位功能性的热集中、热旋转和热隐身超构材料,达到了当前利用混合材料结构实现热超构材料设计的最好水平,将有力推动热超构材料在航空航天、电子等领域的工程应用。研究工作得到了国家自然科学基金(52076087)、国家重点研发计划(2020YFB1708300)等项目资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27543-7


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