华科团队：热放大超材料的跨尺度拓扑优化设计与增材制造

热放大超材料是一类可用线热源产生较大均匀温度场的热学超材料。目前，常采用组合热隐身斗篷及其背景材料的方法设计热放大超材料。然而，当背景材料发生变化时，先前设计超材料的热放大功能会丧失。

3D打印技术参考注意到，为解决该问题，华中科技大学高亮教授团队在Additive Manufacturing Frontiers发表了题为“Multiscale Topology Optimization Design and Additive Manufacturing of Thermal Expander Metadevices”的文章。该研究采用跨尺度拓扑优化方法设计了背景材料独立的热放大超材料，使其在不同背景材料下仍具有热放大功能，通过增材制造制备热放大超材料器件，结合仿真和热学实验验证了热放大超材料的背景材料独立性。

论文亮点

研究人员设计了一种背景材料独立的热放大超材料，开展了不同背景材料下热放大超材料器件的数值仿真，验证了所提设计方法的有效性；采用增材制造技术制备了热放大超材料器件，开展了热学实验测试，验证了其超常热功能。

试验方法

采用跨尺度拓扑优化方法设计热放大超材料：在宏观层面，采用区域变换方法计算热放大超材料内部所需的热传导张量分布；在微观层面，拓扑优化设计具有目标热传导张量的微结构构型；采用增材制造打印热放大超材料铜结构基底，填充PDMS，并经过脱氧、加热和修整，制备热放大超材料器件。

结果

（1）不同背景材料下，传统热放大超材料器件的温度场分布（图1）。

图1 不同背景材料下的传统热放大超材料的仿真结果

（2）跨尺度拓扑优化设计了双倍和三倍热放大超材料器件（图2和3），数值仿真验证了不同背景材料下所设计热放大超材料器件的热功能，开展了温度定量分析（图4）。

图2 不同背景材料下的双倍热放大超材料器件仿真结果

图3 不同背景材料下的三倍热放大超材料器件仿真结果

图4 温度定量分析结果

（3）增材制造制备了双倍热放大超材料器件，开展了热放大功能的热学实验测试（图5）。

图5 双倍热放大超材料器件的热学实验结果

结论

采用跨尺度拓扑优化方法设计了背景材料独立的热放大超材料器件，开展了数值仿真模拟，验证了所设计的双倍和三倍热超材料器件在不同背景材料下均能保持热放大功能；采用增材制造技术制备了双倍热放大超材料器件，开展了热学实验测试，验证了其热学超常功能。

前景与应用

本研究设计了背景材料独立的热放大超材料器件，可用于涉及未知背景材料但需稳定的热放大功能、严格的温度均匀性、紧凑的热源等热管理场景。

注：本文内容来自AMF增材制造前沿。