供稿人：李武丹、田小永 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-05-24
热超材料代表了控制和纵热流的一种有前途的途径，获得了典型的设备，如热斗篷、热旋转器和热集中器。然而，由于设计和制造挑战，对非共形几何热超元器件的理论和实验研究仍然有限。突出的传统制造方法，如层压和逐层组装、基于模具的铸造以及与 3D 打印和线切割方法相结合的工艺，在制造具有高结构完整性和机械性能的复杂组件方面一直面临挑战。
西安交通大学田小永教授团队采用共形离散理论（CDT）来简化热传导张量，将非共形热学超材料的复杂热传导张量弱化为一个角度张量，从而降低设计复杂性。提出了一种新颖的连续金属纤维嵌入式3D打印方法，将金属和聚合物结合在一起，无需熔化铜，通过在聚合物的熔点处嵌入金属纤维的原理，实现复杂各向异性结构的制造。这种方法能够精确控制具有高低热导率材料的分布，克服了传统制造方法的局限性。
图1 非共形斗篷的设计
通过有限元模拟对不同直径的铜线进行参数分析，发现当铜线直径增加到0.3毫米、0.4毫米和0.5毫米时，热隐身效果达到最优。在热流通道中，温度在隐身区域的起点到终点没有明显变化，说明热隐身效果良好。使用红外相机等设备对制造的非共形热隐身衣进行热流分析实验。实验结果与模拟结果趋势一致，证明了所制造的热隐身衣具有良好的热隐身效果。在平行热流和串联热流两种情况下，热隐身衣都能够有效地引导热流绕过指定区域，使该区域保持温度稳定。
图2 具有串联热流的非共形热隐形效应
该研究成果为航空航天热防护、电子设备散热等高端领域提供了可行的技术解决方案。通过在3D打印过程中实现金属与聚合物的原位复合，避免了传统工艺中的界面结合、后处理等难题。随着电子设备向高性能、高集成度方向发展，航空航天器件对热管理提出更高要求，这种能够实现热量精确调控的制造技术将发挥越来越重要的作用。