中国科学技术大学Advanced Science | 有源超材料热伪装，为多领域热管理带来新方案

解决的问题：解决传统被动热管理策略无法有效应对有源热场中局部高温、复杂热通量分布的问题，以及现有热超材料设计在处理有源热场时的局限性。

提出的方法：提出一种将逆设计原理与先进变换热学相结合的有源超材料（ASM）理论设计框架，用于定制各向异性热导率分布以调控有源热场。

实现的效果：实现了从简单到复杂形状有源热源的精确热伪装，精确控制有源热源的形状和温度，同时不干扰周围热环境，并揭示了有源热源功率、热导率、温度和热通量之间的关系。

创新点：将逆设计原理融入热超材料设计，打破传统局限，首次实现对任意形状、大小和功率有源热源热场的精确调控，为热管理领域带来全新思路。

研究成果以题为 “Inverse Design of Active-Source Metamaterials for Thermal Camouflage with Arbitrary Active Sources” 发表于《Advanced Science》上。中国科学技术大学Xianrong Cao、Zifeng Tong 和 Yongle Nian 为论文共同第一作者，中国科学技术大学Liqun He、Lei Gong和浙江大学Zhengdong Cheng 为论文共同通讯作者。

摘要：精确控制有源热场对于包括热伪装、热保护和能量收集在内的先进技术应用至关重要。然而，有源热源固有的发热通常会导致局部高温区域以及复杂的非线性热通量分布，这给有效管理这些热场带来了巨大挑战。在此，通过将逆设计原理与先进变换热学相结合，提出一种用于有源超材料（ASM）的新颖理论设计框架。该 ASM 框架能够将复杂的有源热源效应转换为定制的各向异性热导率分布，从而实现对有源热场的精确调制，以满足各种先进应用的需求。作为概念验证，展示了从简单圆形到更复杂多叶形状的有源热源的精确热伪装，并系统研究了温度场、热通量分布和有源热源功率之间的相互作用。通过数值模拟和实验验证，证实了所提方法的有效性。这项工作为精确管理有源热场建立了一个通用框架，在芯片设计、电池技术和能源系统等领域具有巨大的应用潜力。

结论：在本研究中，我们引入了一种新颖的有源超材料设计框架，以全新的方式实现对复杂有源热场的高效热管理。作为概念验证，展示了这些超材料有效伪装任意形状、大小和功率有源热源的能力。该方法能够精确操纵有源热源的形状和温度，同时确保周围热环境不受干扰。此外，我们探索了有源热源功率、各向异性热导率、温度和热通量之间的相互作用。分析揭示了一种线性关系：随着有源热源功率的增加，热导率和热通量也会增加，同时热伪装功能保持不变。模拟和实验结果一致验证了有源超材料在调节和控制有源热场方面的强大能力。这项工作不仅为有源超材料的设计奠定了坚实的理论基础，还为微电子、电池和热伪装等应用中的先进热管理提供了一种新颖的解决方案。

图1：有源超材料的示意图和设计原理。

图2：有源热源热伪装中形状变换的实验和模拟分析。

图3：有源热源热伪装中温度控制的实验和模拟分析。

图4： 各种形状和功率水平有源热源热伪装的模拟结果和分析。

文章信息：

X. Cao, Z. Tong, Y. Nian, J. Li, Y. Zhou, Z. Zhang, Y. Liu, L. Gong, Z. Cheng, L. He, Inverse Design of Active-Source Metamaterials for Thermal Camouflage with Arbitrary Active Sources. Adv. Sci. 2025, 2503024.

https://doi.org/10.1002/advs.202503024