热超导材料文献综述

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1、背景：热输运是口然界中最普遍的现象Z-,如何高效操控热流在工业等领域有着巨大的应用价值。通过将自然材料排布出一定的结构从而实现奇特的非自然的材料功能，可能成为解决一些传统传热问题的关键方法。热传递有三种方式：热传导、热对流和热辐射。本文主要讨论热传导.由于热传导是一个扩散过程，这就导致热能往往很难被收集和利用.这种性质也大大限制了热电材料和太阳能电池的效率，另一方面，如何让热能更快速地转移走而不是积累并造成对工业器件的损坏，如芯片的过热冷却方法等，也是一个具冇重大意义的研究方向。因此需要寻找超越传统材料的新型材料来满足人们对

2、热流控制的要求，这就使得超构材料应运而生。这种材料由基础的普通口然材料通过一系列特殊的方式组合而成，它们可以实现自然材料所不具冇的特殊性质,而这种性质的木质来源于材料的特殊结构而非其木身的物理性质.当然，由于热传递的复杂性和扩散性(例如热传导)，使得材料的制备变得比较困难。在热超构材料实验中，软物质材料被广泛地应用.它们可以作为填充物调节材料的热导率，减少接触热阻；也可以作为保护膜防止金屈样品的氧化；以及对抗热对流耗散.更重要的是，软物质覆盖的金属样品能够被红外热成像仪扌n摄成像，进而通过实验观测来验证理论设计的合理性变换热

3、学理论及热超构材料：(1)变换热学理论：即使是抛物型偏微分方程热传导或扩散方程在坐标变换下仍可保持形式不变,这是变换热学最重要的前提.基于变换热学来设计热超构材料的方法论，整个过程大致可以分为三步。首先，根据不同的需要，设计出一个适合的坐标变换。以二维极坐标为例，一个坐标变换可以表示为：r9=f(r;0)；0，=g(r;0)；笫二步，根据k诈綸式计算出新的热导率张量•最后，通过模拟或者实验的方法来验证具冇新热导率的热超构材料是否能够按照预期来实现设计好的功能.这三个步骤可以指导人们利用变换理论设计形形色色的新材料，包括隐身衣

4、、聚集器、反转器、旋转器和热透镜.(2)热超构材料利用梯度材料实现电磁波隐身衣的方法在学界受到了广泛关注。基于热传导方程的热超构材料不存在频率的问题.这种特殊性使得基于变换热学理论设计出来的材料冇更强的适用性，在足够宽泛的边界条件中，热超构材料都可以表现良好.这就使得上述材料在生产生活中可以更快地得到应用，并具有更广阔的适应范围和价值。①热隐身衣相较于传统隐身装置，热隐身衣有两个特点.第一，在其隐身区域(r

5、一所示。很明显，热隐身衣的存在不会改变外场的温度分布.由于各向异性在内径附近角坐标方向的无限高热导率和径向方向零热导率成功地使热流避开了被保护的物体，让隐身区域内部的温度梯度为零。图1(a)热隐身衣的示意图参数取值：7?i=1cm,R2=2cm;(b)在高温400K、低温30()K、上下边界为热绝缘时隐身隐身衣在热场中的温度分布①热聚集器此类材料可以在不影响外场温度分布的情况卜1使得某一区域的热梯度急剧提高；而热旋转器口J以根据要求将热流扭转某一特定角度.所冇这些冇趣的性质都来源于理论提供的设计非线性非匀质材料的极大自由度.

6、所有的方法论也是从热隐身衣的成功中总结岀来的。图一所示的模型，它可以让热流扭曲避开中间区域从而保证了隐身衣内部没冇温度梯度.如果我们想要通过类似的结构让中间区域的温度梯度不降反生，则就是一个热聚集装置。由图二可知，中间区域的温度梯度被提高了，此外，由于压缩和拉伸抵消，热导率矩阵的行列式与背景一样，因此该超构材料和热隐身衣一样对外场温度分布不会造成影响・。因此热聚集器看起来也是隐形的。x/cm图2(a)热聚集器的示意图，此处参数取值/?1=1cm,7?2=1.5cm,=2cm;(b)在高温400K、低温300K,上下边界为热绝

7、缘时聚集器在热场中的温度分布①热旋转器可以让热流旋转一个特定的角度，因此被称为热旋转器。在热旋转器的一系列模拟中，存在表观的负热导率现象。换言之，热可能从低温端流向高温端。热旋转的变换：对于rR2的环外区域不发生坐标变换.对于R1

8、这一现象同时也造成了表观的负热导率，因为热流明显从较低的温度端流向了较高的温度。图3热聚集器在热场中的温度分布图中热源放在模拟图中的上方，热流随着时间流逝不断向F方的冷端扩散；图中温度被归一化为0—1;(a)t=O.(K)5s时的温度分布；(b)t=0.01s;(c)t=0.1s;图中的旋