复杂多体超材料系统近场辐射换热研究

批准号：

52076056

项目类别：

面上项目

资助金额：

58.0 万元

负责人：

张勇

依托单位：

哈尔滨工业大学

学科分类：

传热传质学

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

张勇

关键词：

表面等离子共振多体系统表面声子共振近场辐射超材料

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

近场热辐射问题是影响甚至是制约许多微纳米技术发展和应用的关键因素，相关研究属于学术交叉的国际前沿基础理论研究。现有研究涉及的构型较为简单，无法充分刻画实际的微纳热辐射过程。本项目将提出任意粒子与平板组成的复杂多体模型，充分考虑多体间的多重电磁散射作用、表面波干涉与隧穿效应等极为复杂的物理过程，明晰多体系统内的能量传递机制；另一方面，超材料由于具有区别于天然材料的独特优异性能成为当前研究热点，本项目将开展粒子与平面皆为超材料的多体近场辐射换热研究，旨在发现多体超材料引发的独特热辐射耦合增强效应；最后，传统超材料结构参数的选取具有较大偶然性，本项目将基于深度学习算法优化设计多体超材料的结构参数，实现多体辐射换热量的巨大增强与精准调控。本项目的开展将补充和完善热辐射研究的基础理论，为近场辐射换热的应用及实验研究提供新的理论依据与分析手段，为微纳尺度热能管理与能源的高效转化利用提供优化设计思路。

英文摘要

The near-field thermal radiation problem is a key factor that affects or even restricts the development and application of many micro-nano technologies. Related research belongs to the international frontier basic theoretical research with academic cross. The structures involved in the existing studies are relatively simple and cannot fully characterize the actual micro-nano thermal radiation process. This project will propose a complex multi-body model consisting of arbitrary particles and flat plates, fully considering the extremely complex physical processes such as multiple electromagnetic scattering effects between multiple bodies, surface wave interference and tunneling effects, to clarify the energy transfer mechanism in the multi-body system; On the other hand, metamaterials have become the current research focus due to their unique and excellent properties that are different from natural materials. Aiming to discover unique thermal radiation coupling enhancement effects caused by multi-body metamaterials, this project will conduct research on multi-body near-field radiative heat transfer in which both particles and plates are metamaterials. Finally, the selection of structural parameters of traditional metamaterials is highly contingent. This project will optimize the structural parameters of multi-body metamaterials based on the deep learning algorithm to achieve huge enhancement and precise regulation of multi-body radiative heat transfer. The development of this project will complement and improve the basic theory of thermal radiation research, provide new theoretical basis and analysis methods for the application and experimental research of near-field radiation heat transfer, and provide optimized solutions for micro-nano scale thermal energy management and efficient conversion and utilization of energy.

微纳尺度传热研究是突破新一代信息技术、量子科技与高端装备等领域热管理瓶颈的关键基础，本项目针对复杂系统近场热辐射中表面波散射与干涉的定量描述尚未建立，机理不清的关键瓶颈问题，开展了新材料、多物体复杂系统近场热辐射机制及外场调控研究。本项目明晰了新材料相比传统材料近场热辐射能力的潜在优势及微观过程机理，发现了电荷密度波材料近场热辐射违背了Stefan-Boltzmann四次方定律的负温度依赖现象；发展了粒子与平板多体系统近场热辐射模型，获得了平板反射、透射和多重反射波导对粒子近场热辐射的作用规律，发现了表面波横向传递、纵向隧穿作用下的热流增强及远距传输机制；提出了近场热辐射特性电/磁外场调控方法，揭示了非互易表面波作用下的热流反转、非对称传递机理；自主搭建近场热辐射测试系统，分辨率达0.1 μW·m⁻²·K⁻¹。本研究填补了多体热辐射在微纳尺度的空白，可以为国产高算力芯片热管理、量子器件热噪声抑制等国家重大需求提供理论支撑。本项目发表SCI论文25篇，发表期刊包括Phys. Rev. Lett.，Int. J. Heat Mass Tran.、Phys. Rev. Appl.、Phys. Rev. B等，多体热辐射成果被Rev. Mod. Phys.综述论文大篇幅正面评价“发现了5倍热流增强能力”。发表在Phys. Rev. Lett.的研究工作被哈工大、工信部和基金委网站报道；获得授权国家发明专利2项、国家计算机软件著作权5项；培养毕业博士生3人，毕业硕士生3人，其中1人获首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目(博士研究生)，2人获得中国工程热物理学会王补宣-过增元优秀论文奖。