[发明专利]一种具有负热导率热学材料的等效热导率实现方法

说明书

本发明涉及新型热学器件设计领域，负热导率材料并不遵循热力学第二定律，现有的能够实现热学超构材料的方法都难以用来实现负的热导率，本发明提供一种具有负热导率热学材料的等效热导率实现方法，在具有任意形状的正热导率材料边界上设置连续的热源密度分布即可实现等效的负热导率材料所具有的温度场调控特征，比如热学“表面等离激元”效应，连续的热源密度分布进一步离散化为一系列特定热功率分布的单元结构，释放(或者吸收)的热量由外热源、等效负热导率材料的形状和热导率共同决定。该热学单元结构的吸热功能可以通过帕尔贴效应实现。

技术领域

本发明属于新型热学材料，涉及到热导率范围的拓展，新型热学器件设计等领域，更具体地说，涉及一种具有负热导率热学材料的等效热导率实现方法。

背景技术

自然材料的热导率一般会限制在一定的范围内，比如导热较差的聚苯乙烯泡沫塑料(热导率约为0.03W/m/K)和导热良好的紫铜(热导率约为400W/m/K)，而其他大部分材料的热导率则介于上面两者之间。人们通过设计热学超构材料(一种周期或渐变排列的结构单元阵列)大大拓展了热导率的范围，使其可以达到非均匀(通过调整结构大小比例)、各向异性(通过调整结构方向比例)，甚至通过转动媒质实现了热导率从近零到无穷大之间任意调节。然而所有这些实现热学超构材料的方法都难以用来实现负的热导率，这是因为宏观热力学并不拥有像电磁波谐振这样的物理机制来给对应材料参数产生一个负值。负热导率材料并不遵循热力学第二定律，也就是说其内部的热流是从低温区流向高温区，负热导率材料拥有很多违背物理直觉的新奇特性，比如温度场梯度的反转，热学“表面等离激元”等。因此如何等效实现负热导率材料，特别是如何实现负热导率材料拥有的对于温度场的新颖调控特性，非常具有科学和技术应用价值。

发明内容

针对背景技术中阐述的问题，本发明的目的在于提供一种具有负热导率热学材料的等效实现方法，本发明通过正热导率材料和边界热源模拟负热导率材料，形成热导率分布图，等效实现负热导率材料。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种负热导率材料的等效实现方法，利用正热导率材料和边界热源实现负热导率材料的等效热导率分布，边界热源置于正热导率材料的边界位置，正热导率材料的热导率分布函数为-κ(r)，期望实现的负热导率材料的热导率分布函数为κ(r)。

进一步，边界热源的功率大小由背景热源、等效负热导率材料的几何形状和热导率分布决定。

进一步，边界热源的功率密度q_s分布由下式决定：

其中，κ(r)为期望实现的负热导率，T为假设在负热导率材料存在的情况下其边界上的温度分布，这里的法向导数代表沿着垂直于边界指向负热导率材料内部的方向导数。

进一步边界热源，离散化为若干个点热源，离散化公式为：

其中，Q_m代表第m个点热源的功率，点热源的功率通过对方向角为dΩ的微面源A_m上的边界热源功率密度求积分获得，r代表边界热源到原点的距离。

进一步，离散化热源通过正负交替的独立热源来实现，正热源使用普通的电加热片来实现，负热源使用帕尔贴效应制成的制冷片来实现。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明实现了负热导率材料所具有的对于温度场的调控能力。

(2)本发明不需要特殊的热学超构材料，只需普通背景材料和边界热源即可实现负热导率的等效实现。

(3)通过改变外热源、边界热源的位置以及内部正热导率的大小能够实现不同等效负热导率材料的形状和等效负热导率。

附图说明