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Wei Sha, Mi Xiao, Yihui Wang, Mingzhe Huang, Liang Gao. Multiscale Topology Optimization Design and Additive Manufacturing of Thermal Expander Metadevices. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 3, 2024, 200155.
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200155.
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950431724000455
热放大超材料是一类可用线热源产生较大均匀温度场的热学超材料。目前，常采用组合热隐身斗篷及其背景材料的方法设计热放大超材料。然而，当背景材料发生变化时，先前设计超材料的热放大功能会丧失。为解决该问题，本文采用跨尺度拓扑优化方法设计了背景材料独立的热放大超材料，使其在不同背景材料下仍具有热放大功能，通过增材制造制备热放大超材料器件，结合仿真和热学实验验证了热放大超材料的背景材料独立性。 1.设计了一种背景材料独立的热放大超材料；
2.开展了不同背景材料下热放大超材料器件的数值仿真，验证了所提设计方法的有效性；
3.增材制造制备了热放大超材料器件，开展了热学实验测试，验证了其超常热功能。
采用跨尺度拓扑优化方法设计热放大超材料：在宏观层面，采用区域变换方法计算热放大超材料内部所需的热传导张量分布；在微观层面，拓扑优化设计具有目标热传导张量的微结构构型；采用增材制造打印热放大超材料铜结构基底，填充PDMS，并经过脱氧、加热和修整，制备热放大超材料器件。
（1）不同背景材料下，传统热放大超材料器件的温度场分布（图1）。
图1 不同背景材料下的传统热放大超材料的仿真结果
（2）跨尺度拓扑优化设计了双倍和三倍热放大超材料器件（图2和3），数值仿真验证了不同背景材料下所设计热放大超材料器件的热功能，开展了温度定量分析（图4）。
图2 不同背景材料下的双倍热放大超材料器件仿真结果
图3 不同背景材料下的三倍热放大超材料器件仿真结果
图4 温度定量分析结果
（3）增材制造制备了双倍热放大超材料器件，开展了热放大功能的热学实验测试（图5）。
图5 双倍热放大超材料器件的热学实验结果
采用跨尺度拓扑优化方法设计了背景材料独立的热放大超材料器件，开展了数值仿真模拟，验证了所设计的双倍和三倍热超材料器件在不同背景材料下均能保持热放大功能；采用增材制造技术制备了双倍热放大超材料器件，开展了热学实验测试，验证了其热学超常功能。
本研究设计了背景材料独立的热放大超材料器件，可用于涉及未知背景材料但需稳定的热放大功能、严格的温度均匀性、紧凑的热源等热管理场景。 沙伟（第一作者 ），博士，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室博士后。主要研究方向为超材料智能优化设计及应用、跨尺度拓扑优化设计方法。入选2023年度博士后创新人才支持计划；主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、湖北省创新研究岗位项目3项；在Nature Communications、Advanced Materials、Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering等国内外权威期刊上发表论文10余篇，申请国家发明专利10余项，获2023国际会议ICMD Best Paper Award等奖励。
肖蜜（通讯作者 ），华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师，教育部青年长江学者（2023年）、湖北省杰青、湖北省青拔，入选2023年全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单，CJME青年编委。从事结构跨尺度拓扑优化设计、力学/热学超材料设计等方向研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上/青年项目、教育部联合基金等10余项。出版中英文专著2部、在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Mat. Sci. Eng. R.等期刊上发表SCI论文100余篇，其中ESI高被引论文8篇、热点论文3篇、封面/封底论文3篇。申请/授权发明专利30余项。获湖北省自然科学一等奖1项（2023年度，排名第2）、湖北省科技进步二等奖1项（2020年度，排名第3），国际会议ICIDM 2018/ICMD 2023最佳论文奖、ICCES 2023杰出青年学者奖，以及2022年《机械工程学报》第六届高影响力论文奖。
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