Opto-Electronic Engineering Review 光电工程 2017年，第44卷。第1期 热学超材料研究进展 张学骜*，张森* 国防科学技术大学理学院，长沙410073 摘要：热学超村料是超材料家族的新成，从 开始就备赐目，尤其近年未得到远猛发展。本文以热学超村科关健 技术为主线，着眼于坐标变换的基本理论和先进超村料的断奇性质，速了近年未热学超村料的研完进展，重点关 其在热隐身、热防护 一 用前景。基于然学超材料的研究现状和发展趋势，进 文献标志码：A Research advances in thermal metamaterials Xueao Zhang*and Sen Zhang' me fthemetamaterial family thermal metamaterial yea on the ke chn .and or a nt tr the co earch in recent vears.and make ts abou the future applications of thermal metamaterials in the fields of cloaking,thermal man ent information and so on Koyrwordshemaneanaeiatiemaaonghnemalpecoa.hemamnegementnemmn D0:10.3969,1ssn.1003-501X.2017.01.004 Citation:Opto-Elec Eng,2017,44(1):49-63 化的兴起：20世纪对半导体材料的研究导致了一场有 1引言 轰烈烈的电子工业革命， 并使我们进入了以计算机和 对新材料、新器件的探索一直是人类的奋斗日标 信息高速公路为标志的信息时代：进入21世纪以来 和进步手段，同时会带动相关产业和技术的迅速发展， 超材料作为一种新型人工材料引起了世界科学界的广 催生出新的产业和技术领域，也是转化为新型战斗、 泛关注。这种且有非常想等效物理参数的人工结构或 防御技术的重要突破口。纵观人类社会发展历史， 材料，不仅呈现出天然材料所难以实现的超常物理性 学技术的每一次重大突破都源于新材料、新器件的诞 质，而且共特性可根据需要进行调节，在力、热、光 生.如19世纪电气和钢铁时代的到来标志着现代工业 声、电磁等各个领域表现出重要的潜在应用☒。2010 年美国《Science》杂志将超材料评价为过去10年世 位日01610收到修横日：201612.2。 界十大科学突破之一”。超材料的提出给我们在世界观 xaznanggnudt.edu.cn.zhangsen@nudt.edu.cr
Opto-Electronic Engineering 光 电 工 程 Review 2017 年，第 44 卷，第 1 期 49 热学超材料研究进展 张学骜*，张 森* 国防科学技术大学理学院，长沙 410073 摘要：热学超材料是超材料家族的新成员，从一开始就备受瞩目，尤其近年来得到迅猛发展。本文以热学超材料关键 技术为主线，着眼于坐标变换的基本理论和先进超材料的新奇性质，综述了近年来热学超材料的研究进展，重点关注 其在热隐身、热防护、热管理和热信息等方面的应用前景。基于热学超材料的研究现状和发展趋势，进行了系统性的 分类梳理，分析和归纳了近年来相关研究的内容与特色，给出了未来热学超材料在隐身、热管理、信息等领域的研究 展望。 关键词：热学超材料；热隐身；热防护；热管理；热信息 中图分类号：O436; TB33 文献标志码：A Research advances in thermal metamaterials Xueao Zhang* and Sen Zhang* College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China Abstract: As a new member of the metamaterial family, thermal metamaterial has gained much attention from the very beginning, and has been intensively investigated in recent years. Based on the key technology of thermal metamaterials, the basic theory of coordinate transformation as well as the novel properties of thermal metamaterials is introduced, and the recent progresses of thermal metamaterials, such as thermal cloaking/stealth, thermal protection, thermal management, thermal Information and other aspects of applications have also been reviewed in this paper. Based on the research status and development trend of thermal metamaterials, we systematically classify and sort out the contents and characteristics of relevant research in recent years, and make some prospects about the future applications of thermal metamaterials in the fields of cloaking, thermal management, information and so on. Keywords: thermal metamaterial; thermal cloaking; thermal protection; thermal management; thermal information DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.01.004 Citation: Opto-Elec Eng, 2017, 44(1): 49‒63 1 引 言 对新材料、新器件的探索一直是人类的奋斗目标 和进步手段，同时会带动相关产业和技术的迅速发展， 催生出新的产业和技术领域，也是转化为新型战斗、 防御技术的重要突破口。纵观人类社会发展历史，科 学技术的每一次重大突破都源于新材料、新器件的诞 生。如 19 世纪电气和钢铁时代的到来标志着现代工业 化的兴起；20 世纪对半导体材料的研究导致了一场轰 轰烈烈的电子工业革命，并使我们进入了以计算机和 信息高速公路为标志的信息时代；进入 21 世纪以来， 超材料作为一种新型人工材料引起了世界科学界的广 泛关注。这种具有非常规等效物理参数的人工结构或 材料，不仅呈现出天然材料所难以实现的超常物理性 质，而且其特性可根据需要进行调节，在力、热、光、 声、电磁等各个领域表现出重要的潜在应用[1-2]。2010 年美国《Science》杂志将超材料评价为“过去 10 年世 界十大科学突破之一”。超材料的提出给我们在世界观 收稿日期：2016‒10‒07； 收到修改稿日期：2016‒12‒24 *E-mail: xazhang@nudt.edu.cn, zhangsen@nudt.edu.cn
OEE Focus 2017年，第4卷，第1期 和方法论上带来了苹命性的变化，颜覆了人们对传统 信息等领域的研究展望 材料知识的认识，突破了经典理论的一些重要概念 其深入研究成果必将在通信、雷达、微电子、超分辨 2超材料概述 率成像、声纳乃至热管理等领域获得广泛应用。 超材料Metamaterial)指的是一类具有人工设计的 近年来，随若我国综合国力不断增强、国际地位 结构而且体现出天然材料所没有的超常物理性质的材 不断提升，维护国家安全成为国防建设的重要战略任 料或结构。其主要特点表现为具有人工结构和超常物 务。在未来高科技、 多样化的复杂战场条件下， 理性质 其性质通常不主要由构成材料的本征性质 础科学、应用技术和交叉学科领域最新研究突破的基 定，而是取决于其人工结构的设计组成，如图1。 础上，若力发展将以超材料为代表的新型功能材料与 器件作为基础的特种防御技术，具有战略性、前沿性、 2.1历史发展 前瞻性，从而提升未来高技术条件下作战与防徇能力 超材料最初被称为左手材料或负折射材料，由前 苏联物理学家Veselag0于1968年最先提出，近年 此外，其潜在利用价值和广阔应用前景在军民融合方 发展迅猛，在电磁、微波、通信、半导体等诸多领域 而也将影南深远、意义重大。 崭露头角，超材料的特殊性质可应用于纳米波导、表 作为超材料家族的新成员。热学超材料从一开始 面等离子体光子芯片、滤被器、摇合器等功能性器件 就备受骗目 文将对热学超材料的最新进展进行 合论述。首先，简要介绍超材料的基本情况：然后 的研发。由于超材料具有特殊的电磁性能， 在雷达 讨论热学超材料在热隐身、热防护、热管理和热信息 电子对抗等领域有者巨大的应用潜力和发展空间，尤 等方面的研究进展：最后，在综合分析热学超材料研 其在隐身这一方面的探素成为了近年来的研究热点， 究现状的基础上，给出热学超材科在隐身、热管理利 如图2所示。 国1一些主委超村科体构示意图阿 人工负折射率 人工旋光起俯 292.77201 2008 图2《Science》杂志拟道的超材科在光学领域的代表性工作
OEE | Focus 2017 年，第 44 卷，第 1 期 50 和方法论上带来了革命性的变化，颠覆了人们对传统 材料知识的认识，突破了经典理论的一些重要概念， 其深入研究成果必将在通信、雷达、微电子、超分辨 率成像、声纳乃至热管理等领域获得广泛应用。 近年来，随着我国综合国力不断增强、国际地位 不断提升，维护国家安全成为国防建设的重要战略任 务。在未来高科技、多样化的复杂战场条件下，在基 础科学、应用技术和交叉学科领域最新研究突破的基 础上，着力发展将以超材料为代表的新型功能材料与 器件作为基础的特种防御技术，具有战略性、前沿性、 前瞻性，从而提升未来高技术条件下作战与防御能力。 此外，其潜在利用价值和广阔应用前景在军民融合方 面也将影响深远、意义重大。 作为超材料家族的新成员，热学超材料从一开始 就备受瞩目。本文将对热学超材料的最新进展进行综 合论述。首先，简要介绍超材料的基本情况；然后， 讨论热学超材料在热隐身、热防护、热管理和热信息 等方面的研究进展；最后，在综合分析热学超材料研 究现状的基础上，给出热学超材料在隐身、热管理和 信息等领域的研究展望。 2 超材料概述 超材料(Metamaterial)指的是一类具有人工设计的 结构而且体现出天然材料所没有的超常物理性质的材 料或结构。其主要特点表现为具有人工结构和超常物 理性质，其性质通常不主要由构成材料的本征性质决 定，而是取决于其人工结构的设计组成，如图 1。 2.1 历史发展 超材料最初被称为左手材料或负折射材料，由前 苏联物理学家 Veselago 于 1968 年最先提出[4]。近年来 发展迅猛，在电磁、微波、通信、半导体等诸多领域 崭露头角，超材料的特殊性质可应用于纳米波导、表 面等离子体光子芯片、滤波器、耦合器等功能性器件 的研发。由于超材料具有特殊的电磁性能，在雷达、 电子对抗等领域有着巨大的应用潜力和发展空间，尤 其在隐身这一方面的探索成为了近年来的研究热点， 如图 2 所示。 图 1 一些主要超材料结构示意图[3]. 图 2 《Science》杂志报道的超材料在光学领域的代表性工作. 人工负折射率 Science 292,77(2001) 光学超镜成像 Science 308,534(2008) 人工旋光起偏器 Science 325,1513(2009)
D010.3969issn.1003-501X.2017.01.00 OEE Focus 当前，招材料研究主要华中在以下几个方面：1) 学家Veselago提出，当时被称为左手材料或负折射材 新型特殊功能的超材料结构设计、性能优化及模拟仿 料。从此以后，随着相关研究的不断深入，众多突 真：2)超材料结构与器件的制备 由于亚波长特征 破性成果不断酒现 199g 年， 英国帝国理工大学的 寸的限制，在光频波段进行器件制作需要高精度的 lohn Pendry等人采用由两个开口的薄铜环内外相至 纳加工技术，3)申磁场与物质相石作用的研究。超材 而成的微结构胞元，设计出一种具有磁响应的周期结 料的很多性函都和表面/界面波有关，如果粗要深入润 开口谐振环结构切。2001年，美国加州大学的 恐这种近场波和自由空间电磁波的耦合 以及其材料 Shelby等人将铜线与开口铜环两种微结构单元进行 内部的传播性质，那么相关理论概念、分析方法和到 合，并超过结构尺寸上的设计保证介电常数和磁导 验测量技术等都需要不断探索和突破。结合传统的凝 二者出现负值的频段相同，从而首次将介电常数和磁 聚态物质材料科学与各种新型微钠米加工工艺，面向 导率同时表现出负值的材料展现在人们面前网。2003 下一代信息与新能源技术，超材料正成为当今微结构 年，美国波音公司幻影工作室的C.P i人与 材料科学中新学科的发展前沿。 加拿大多伦多大学的两组研究人员在实验中直接观 2.2超材料与坐标变换 到了负折射现象网。 在隐身方面，2006年，John Pendry教授和美国朴 2OO6年，D.R.Smith教授和John Pendry等人 提出了隐形斗篷的构想，并展示了隐形 斗篷的雏形 克大学的D.RSmh教授等人共同提出了超材料薄后 能够让光线绕过物体从而使物体隐形的理论， 并展方 对于自由空间中以2为半径的实心球体，变换 了隐形斗篷的维形问，如图5所示。2009年，我国东 内外半径分别为R,、R,的球壳，通过坐标变换，最终 南大学崔铁军与美国杜克大学刘若鹏等人合作，实现 将“隐身区域R"的介质压缩到斗篷区域RR,之间， 如图3。这种基于坐标变换达到隐身效果的核心就是 了微波段地面目标的二维宽频带隐身衣0。在2010 年 利用特殊的坐标变换介质使光路绕开物体进行传播 维隐身衣原型相维被报道 。2011年，英国 达到隐身的目的。利用坐标变换使物体隐身的结构被 伯明翰大学及加州大学伯克利分校的张翔课题组分别 实现了在可见光波段的隐身。同年，美国哥伦比 形象地称为隐身衣。 亚大学机械工程系王琪薇等人研制出了一种新的光纳 r=R,+R2RR2.g=,= 米结构，构建出零折射率“超材料 因3坐标变换原理和隐身4蓬示意图肉 物理学量在坐标变换中遵循规律不变性：以机械 运动为例一—物理学中的功、动能、动量、动量矩等 都是相对量，对不同的惯性系它具有不同的值，但是 反映这些量之间关系的动量守恒、 动量矩守恒、机械 能守恒等并不随不同的惯性系而变：同样的电磁学、 光学，乃至热学也是如此。因此，基于坐标变换的超 材料可广泛用于力、热、光、电、磁各个领域，如图 4所示 2.3重要进展 图4坐标变换与超材科在力、热、先、电、磁 超材料的概念最先于1968年由前苏联理论物理 各领提的应用阿 51
DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.01.004 OEE | Focus 51 当前，超材料研究主要集中在以下几个方面：1) 新型特殊功能的超材料结构设计、性能优化及模拟仿 真；2) 超材料结构与器件的制备，由于亚波长特征尺 寸的限制，在光频波段进行器件制作需要高精度的微 纳加工技术；3) 电磁场与物质相互作用的研究。超材 料的很多性质都和表面/界面波有关，如果想要深入洞 悉这种近场波和自由空间电磁波的耦合，以及其材料 内部的传播性质，那么相关理论概念、分析方法和实 验测量技术等都需要不断探索和突破。结合传统的凝 聚态物质材料科学与各种新型微纳米加工工艺，面向 下一代信息与新能源技术，超材料正成为当今微结构 材料科学中新学科的发展前沿。 2.2 超材料与坐标变换 2006 年，D. R. Smith 教授和 John Pendry 等人[5] 提出了隐形斗篷的构想，并展示了隐形斗篷的雏形 ——对于自由空间中以 R2为半径的实心球体，变换为 内外半径分别为 R1、R2的球壳，通过坐标变换，最终 将“隐身区域 R1”的介质压缩到“斗篷区域 R1~R2”之间， 如图 3。这种基于坐标变换达到隐身效果的核心就是 利用特殊的坐标变换介质使光路绕开物体进行传播， 达到隐身的目的。利用坐标变换使物体隐身的结构被 形象地称为隐身衣。 物理学量在坐标变换中遵循规律不变性；以机械 运动为例——物理学中的功、动能、动量、动量矩等 都是相对量，对不同的惯性系它具有不同的值，但是 反映这些量之间关系的动量守恒、动量矩守恒、机械 能守恒等并不随不同的惯性系而变；同样的电磁学、 光学，乃至热学也是如此。因此，基于坐标变换的超 材料可广泛用于力、热、光、电、磁各个领域，如图 4 所示。 2.3 重要进展 超材料的概念最先于 1968 年由前苏联理论物理 学家 Veselago 提出，当时被称为左手材料或负折射材 料[4]。从此以后，随着相关研究的不断深入，众多突 破性成果不断涌现。1999 年，英国帝国理工大学的 John Pendry 等人采用由两个开口的薄铜环内外相套 而成的微结构胞元，设计出一种具有磁响应的周期结 构——开口谐振环结构[7]。2001 年，美国加州大学的 Shelby 等人将铜线与开口铜环两种微结构单元进行组 合，并通过结构尺寸上的设计保证介电常数和磁导率 二者出现负值的频段相同，从而首次将介电常数和磁 导率同时表现出负值的材料展现在人们面前[8]。2003 年，美国波音公司“幻影工作室”的 C. Parazzoli 等人与 加拿大多伦多大学的两组研究人员在实验中直接观测 到了负折射现象[9]。 在隐身方面，2006 年，John Pendry 教授和美国杜 克大学的D. R. Smith教授等人共同提出了超材料薄层 能够让光线绕过物体从而使物体隐形的理论，并展示 了隐形斗篷的雏形[5]，如图 5 所示。2009 年，我国东 南大学崔铁军与美国杜克大学刘若鹏等人合作，实现 了微波段地面目标的二维宽频带隐身衣[10]。在 2010 年，三维隐身衣原型相继被报道[11-12]。2011 年，英国 伯明翰大学及加州大学伯克利分校的张翔课题组分别 实现了在可见光波段的隐身[13-14]。同年，美国哥伦比 亚大学机械工程系王琪薇等人研制出了一种新的光纳 米结构，构建出零折射率“超材料” [15]。 图 4 坐标变换与超材料在力、热、光、电、磁 各领域的应用[6]. 力 热 电 光 磁 坐标 变换 图 3 坐标变换原理和隐身斗篷示意图[5]. r=R1+r(R2‒R1)/R2，=，= (a) (b) R1 R2
OEE|Focus 2017年，第4卷，第1期 图5 电磁/光学移身斗篷原理国和电磁场分布同 3热学超材料 自然界中的传统材料。其热导系数在空间均匀分 布，热量从温度高的一端直线流向温度低的一端。这 是人们所熟知的热传导模式。然而， 如果能实现空间 热导系数的非均匀分布，通过对宏观热扩散方程的生 间变化，则可以实现对热流方向的调控作用。这种通 过人工设计而实现热导系数非均匀分布的材料或结超 被称为热学超材料。 光学和声学都遵循波动方程，利用某种基于坐材 变换的方法人们可以研究和操控波动方程，进而设计 出具有隐身功能的光学和声学超材料。与声、光的波 图6电阻（热阻）方格及实现隐身效果的坐标 动行为不同，热传导满足的是扩散方程， 扩散方程和 专拉示女图 波动方程的物理机制异 因此，以扩散方程为主写 的热学超材料的研究发展较晚。 3.1热流控制 2004年，新加坡国立大学李保文和仇成伟小组基 通过采用变换热学的方法，使用特殊的热学超材 于共振和非相性系统的声子罐率随温府改变的原 料结构，可以对热传输产生影响，从而实现对热流 提出热二极管的理论模型.2008年，复旦大学黄言 控制。假想有一束热流在均匀铜片中流动，按照日常 平教授将坐标变换用于热学领域，通过对不同区域热 经验，铜片内的热流会沿直线传播。这时，假设热流 导率的变换，提出了热隐身的概念圆，如图6所示。 和铜片都突然被冻结”，然后，扭曲或挤压铜片， 012年法国科学家Ge neu人在学上担变按 流在铜片里也会相应地被扭曲或挤压，不再沿直线传 光学声学的理论应用到热传导方程上后，德国科学等 播，如图7所示。 Negner小组2o和浙江大学何赛灵小组用变换光学 的方式，在实验上实现了热隐身。 热是无处不在的。热学招材料可感知外部热源并 主动响应，根据其功能一般可分为两大类 热流控制 和热能利用：信总传输和处理。热学超材料通过调 热能的传输与转换，控制热流，可以实现多种功能。 在很多领域表现出巨大的应用前景，具备战略性重大 突破的可能，主要体现在以下方面：1)热隐身：2)热 防护：3)热管理：4)热信息。 图7热流在均匀和扭饲片中传输路径 62
OEE | Focus 2017 年，第 44 卷，第 1 期 52 3 热学超材料 自然界中的传统材料，其热导系数在空间均匀分 布，热量从温度高的一端直线流向温度低的一端，这 是人们所熟知的热传导模式。然而，如果能实现空间 热导系数的非均匀分布，通过对宏观热扩散方程的空 间变化，则可以实现对热流方向的调控作用。这种通 过人工设计而实现热导系数非均匀分布的材料或结构 被称为热学超材料。 光学和声学都遵循波动方程，利用某种基于坐标 变换的方法人们可以研究和操控波动方程，进而设计 出具有隐身功能的光学和声学超材料。与声、光的波 动行为不同，热传导满足的是扩散方程， 扩散方程和 波动方程的物理机制迥异，因此，以扩散方程为主导 的热学超材料的研究发展较晚。 2004 年，新加坡国立大学李保文和仇成伟小组基 于共振和非相性系统的声子频率随温度改变的原理， 提出热二极管的理论模型[17]。2008 年，复旦大学黄吉 平教授将坐标变换用于热学领域，通过对不同区域热 导率的变换，提出了“热隐身”的概念[18]，如图 6 所示。 2012 年法国科学家 Guenneau 等人[19]在数学上把变换 光学/声学的理论应用到热传导方程上后，德国科学家 Wegner 小组[20]和浙江大学何赛灵小组[21]用变换光学 的方式，在实验上实现了热隐身。 热是无处不在的。热学超材料可感知外部热源并 主动响应，根据其功能一般可分为两大类：热流控制 和热能利用；信息传输和处理。热学超材料通过调控 热能的传输与转换，控制热流，可以实现多种功能， 在很多领域表现出巨大的应用前景，具备战略性重大 突破的可能，主要体现在以下方面：1)热隐身；2)热 防护；3)热管理；4)热信息。 3.1 热流控制 通过采用变换热学的方法，使用特殊的热学超材 料结构，可以对热传输产生影响，从而实现对热流的 控制。假想有一束热流在均匀铜片中流动，按照日常 经验，铜片内的热流会沿直线传播。这时，假设热流 和铜片都突然被“冻结”，然后，扭曲或挤压铜片，热 流在铜片里也会相应地被扭曲或挤压，不再沿直线传 播，如图 7 所示。 图 6 电阻（热阻）方格及实现隐身效果的坐标 变换示意图[20]. 图 5 电磁/光学隐身斗篷原理图和电磁场分布[16]. -5 0 5 10 15 x-position/cm -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 -5 y-position/cm 0 5 -5 y-position/cm -15 -10 -5 0 5 10 15 x-position/cm -15 -10 -5 0 5 10 15 x-position/cm (a) (b) (c) (d) 图 7 热流在均匀和扭曲铜片中传输路径[5]. (a) (b) y x v u
D0t10.3968 V.issn.1003-501x.2017.01.004 OEE Focus 此时，热流的非直线传搭现象并不影响维续使用 斗篷中。斗篷内部保持恒温，日外部热流基本不受到 描状宏观传热的热传导方程，只是此时组片不再均匀 影响，表现出热隐身的特性。另一方面，当人为地设 共材料特性发生了变化。更进 步， 如果下次直接 计斗篷的元材料沿轴向排列时，该热学超材料斗 同样的一束热流以同样的角度流进这个被扭曲或挤压 则会表现出热收集器的特性，斗篷内部的温度会明显 之后的铜片，这束热流的路径必饮与先前的非直线路 地升高。而当斗篷外壳中的原材料是螺旋状排列时， 径一致。这正是变换热学理论的核心。也就是“热传导 热流也会在外壳中早现出螺旋状的流动，从而在斗率 方程的形式不变性"，即：热传导方程既适用于扭曲或 内部形成一个负热导率的区域。通过热学超材料实现 挤压之前的均匀空间，也适用于扭曲或挤压之后的 热流控制也为将来的热能管理和调控提供了一种新的 均匀空间。对于后者，热导率可以非均匀且各向异性 途径。采用RO43S0B和FR-4的弹性体材料也可得到 这里的非均匀且各向异性的热导率的本质源于空间几 类似的结果2。新加坡国立大学的李保文和仇成伟小 何结构。 组P使用Cu和PDMS构成的扇形单元热学超材料获 目前热流控制已经在实验中实现四。在使用胶乳 得了对热流的位置精确控制，可以实现热流聚焦 橡胶和有机硅弹性体这两种材料交替的同心圆筒外壳 匀加热、热收集等功能，如图8、9所示。 图8热隐身斗篷、热收集器、热反转器示意图和温度分布四 (a) ) h SSTM 3 cm-13 cm 350 图9扇形单元实现热聚焦，均匀加格，热收集示意图和温度分布图
DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.01.004 OEE | Focus 53 此时，热流的非直线传播现象并不影响继续使用 描述宏观传热的热传导方程，只是此时铜片不再均匀， 其材料特性发生了变化。更进一步，如果下次直接让 同样的一束热流以同样的角度流进这个被扭曲或挤压 之后的铜片，这束热流的路径必然与先前的非直线路 径一致。这正是变换热学理论的核心，也就是“热传导 方程的形式不变性”，即：热传导方程既适用于扭曲或 挤压之前的均匀空间，也适用于扭曲或挤压之后的非 均匀空间。对于后者，热导率可以非均匀且各向异性。 这里的非均匀且各向异性的热导率的本质源于空间几 何结构。 目前热流控制已经在实验中实现[22]。在使用胶乳 橡胶和有机硅弹性体这两种材料交替的同心圆筒外壳 斗篷中，斗篷内部保持恒温，且外部热流基本不受到 影响，表现出热隐身的特性。另一方面，当人为地设 计斗篷的元材料沿着轴向排列时，该热学超材料斗篷 则会表现出热收集器的特性，斗篷内部的温度会明显 地升高。而当斗篷外壳中的原材料呈螺旋状排列时， 热流也会在外壳中呈现出螺旋状的流动，从而在斗篷 内部形成一个负热导率的区域。通过热学超材料实现 热流控制也为将来的热能管理和调控提供了一种新的 途径。采用 RO4350B 和 FR-4 的弹性体材料也可得到 类似的结果[23]。新加坡国立大学的李保文和仇成伟小 组[24]使用 Cu 和 PDMS 构成的扇形单元热学超材料获 得了对热流的位置精确控制，可以实现热流聚焦、均 匀加热、热收集等功能，如图 8、9 所示。 图 8 热隐身斗篷、热收集器、热反转器示意图和温度分布[22]. (a) (b) (c) (d) Material A Material B 40 ℃ 0 ℃ Material A Material B Material B Material A a b 图 9 扇形单元实现热聚焦，均匀加热，热收集示意图和温度分布图[24]. (b) (c) (d) Without SSTM 310 Temperature/K 13 cm 2.4 cm 12 cm 1.2 cm 6 cm 5 333 K 273 K (a) 13 cm 5 With SSTM 330 325 320 315 x y z