Advanced Engineering Materials:基于相变及可拉伸材料的近场热辐射的动态调控

对于热传递的主动调控一直是热能工程中充满挑战的课题。近些年来,类比电子学中对电流的调控,一些热调控装置引起了广泛的关注,例如热二极管,热晶体管。类比电二极管,热二极管是指一种只允许热流向一个方向流动,而不允许反向流动的器件。实际情况中,反向的热流 并不为零,只是远远小于正向的热流 。整流比 定义为 ,越大的整流比代表了二极管越好的单向导热性。在之前的研究中,已经提出了基于热传导和热辐射的调控方式,而其中,近场热辐射通过表面波在结构间不同的贯穿程度,能够实现较大的整流比。相变材料的光学特性可随温度发生改变,因此成为了热调控的热门材料之一。

近日,美国东北大学郑义课题组提出了一种基于相变材料二氧化钒(VO2)和柔性可拉伸材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)的热二极管,一端是由VO2和PDMS组成的纳米级一维光栅结构,另一端由氮化硼和金组成,热流通过近场热辐射进行传递。该结构工作在VO2的相变温度附近(341 K),通过VO2在金属态和非金属态下不同的光学特性,实现了显著的单向热辐射的特性。文中研究了VO2薄膜,光栅,纳米颗粒的三种不同形态,其中,光栅结构对整流有最明显的促进效果。作者讨论了各种参数对整流比的影响,包括光栅厚度,宽度,周期等。在对PDMS两种不同的拉伸设想下,可以观察到明显的整流比提升,最高可分别达到23.7和19.8,从而实现了对纳米尺度热传递的动态调控。

相关论文以题为“Dynamic tuning of near-field radiative thermal rectification”发表在Advanced Engineering Materials(DOI:10.1002/adem.202000825)上。