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02 成果掠影 近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所Xiong Pu團(tuán)隊(duì)充分利用MXene的特性，開發(fā)了一種用于輻射加熱的Janus織物，通過調(diào)節(jié)織物的多波長(zhǎng)輻射來實(shí)現(xiàn)個(gè)人熱管理。這種織物具有潛在的節(jié)能、便利甚至?xí)r尚的優(yōu)點(diǎn)。在聚酰胺織物基底的一側(cè)涂上MXene層后，Janus織物通過抑制人體輻射能量損失，使模擬皮膚的溫度提高3.4℃。

在 100μm 處，層厚已經(jīng)足夠適用經(jīng)典的傅里葉傳熱定律，值得一提的是，納米級(jí)傳熱是 COMSOL 用戶研究的一個(gè)活躍領(lǐng)域，參考文章“動(dòng)力學(xué)集體模型中的流體動(dòng)力熱輸送”。 至于熱邊界條件，我們將假設(shè)晶圓位于完全絕緣的底座上，并且位于一個(gè)近真空的工藝室內(nèi)。這意味著不會(huì)有傳導(dǎo)或?qū)α鱾?em>熱冷卻，但會(huì)向腔室壁進(jìn)行輻射傳熱，假設(shè)保持在 300K。

<p>在本研究中，我們基于ANSYS Workbench平臺(tái)開展了太陽能加熱鋁鍋的熱-結(jié)構(gòu)耦合（熱固耦合）數(shù)值模擬分析，旨在揭示鋁鍋在太陽輻射加熱過程中的溫度場(chǎng)演化規(guī)律及其對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的影響。太陽能作為一種綠色可再生能源，其加熱過程伴隨著顯著的溫度梯度，尤其在鍋體壁厚不均或存在邊界散熱的情況下，更容易引發(fā)熱應(yīng)力集中和局部形變。

圖8.用于被動(dòng)熱管理的個(gè)人輻射制冷。(a)納米加工絲綢基輻射制冷紡織品; (b) Janus紡織品具有輻射冷卻和太陽能加熱功能，適合全天戶外個(gè)人熱管理; (c)分層纖維膜，利用輻射和蒸發(fā)散熱，以提高冷卻性能。

紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術(shù)進(jìn)行加熱的熱處理設(shè)備。它通過將電能轉(zhuǎn)化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達(dá)到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對(duì)紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，而無需通過傳導(dǎo)或?qū)α鱽韨鬟f熱量。當(dāng)物體暴露在紅外輻射源附近時(shí)，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內(nèi)部溫度升高。

b)地板下輻射采暖系統(tǒng)配置：1)裝飾層(木地板)； 2）相變材料管道（水合鹽凝膠的三條平行管道），3）硅橡膠加熱片，4）保溫層（玻璃纖維保溫板），5)混凝土板。地板輻射采暖系統(tǒng)中3條并聯(lián)相變材料管線可實(shí)現(xiàn)4種不同的間歇放熱順序：一次放出全部熱量（c1）；連續(xù)放出間歇熱（間歇熱放出三次）（d1）；間歇放熱兩次(e1, f1)。

正是通過燈面向晶圓的頂面，熱量以輻射形式離開燈管。該模型使用較低的固體熱容來實(shí)現(xiàn)燈的快速啟動(dòng)。燈的其他熱特性與金屬銅相同。 首先我們來看看加熱 10s 后燈管、晶圓和傳感器的溫度分布。在下面的模擬圖中，晶圓的溫度(約 1800K)和傳感器的溫度(約 1100K)之間存在著明顯的差異。您可能也會(huì)觀察到晶圓上的溫度分布也不均勻。

因此由其構(gòu)建的焦平面陣列光束掃描芯片在速度和功耗等性能上相比現(xiàn)有熱光式焦平面陣列提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。 圖2.

在這篇文章中，我們研究了模擬無參與介質(zhì)包圍的表面對(duì)表面輻射傳熱的三個(gè)關(guān)鍵概念。首先，我們研究了由熱表面發(fā)出熱輻射的不同方式。接著，我們研究了入射到表面的輻射是如何被吸收、反射和傳輸?shù)摹Ｗ詈螅覀冇懻摿私窍禂?shù)以及如何計(jì)算和更新它們。有了這些介紹，我們就可以非常自信地對(duì)熱輻射問題進(jìn)行建模了！

基于MEMS結(jié)構(gòu)的FPA受其內(nèi)部可動(dòng)機(jī)械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應(yīng)的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現(xiàn)有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。 為解決上述問題，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應(yīng)研制出全球首款基于電光效應(yīng)的焦平面陣列光束掃描芯片。

最近開發(fā)了一系列先進(jìn)的功能材料和復(fù)雜的策略，通過在亞波長(zhǎng)尺度上操縱光-物質(zhì)相互作用來促進(jìn)被動(dòng)、高效和可持續(xù)的輻射冷卻性能或先進(jìn)的熱管理。但是需要注意的是，這些輻射冷卻材料和結(jié)構(gòu)都是光學(xué)靜態(tài)的，無論環(huán)境變化如何，它們通常都是作為一種冷卻方式發(fā)揮作用。人們非常希望開發(fā)出能夠根據(jù)需要在冷卻和加熱模式之間動(dòng)態(tài)切換的先進(jìn)輻射冷卻材料。

非選擇性熱發(fā)射體在整個(gè)MIR波段表現(xiàn)出高吸收/發(fā)射，而選擇性熱發(fā)射體僅在8-13 μm大氣窗口(定義為單選擇性RC材料)表現(xiàn)出高吸收/發(fā)射，在其余的MIR波段表現(xiàn)出高反射。研究表明，與非選擇型熱發(fā)射體相比，單選擇型發(fā)射體具有更優(yōu)的亞環(huán)境制冷性能，原因是選擇型發(fā)射體可以排除大氣寄生熱（來自大氣層的加熱效應(yīng)）。

為了實(shí)現(xiàn)熱動(dòng)態(tài)平衡，在變化的熱環(huán)境中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定溫度，輻射外殼要求發(fā)射率能夠根據(jù)被保護(hù)物體的熱狀態(tài)做出響應(yīng)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，穩(wěn)定溫度。

在這個(gè)場(chǎng)景中，將一個(gè)空間上均勻分布的熱載荷施加在一個(gè)具有均勻初始溫度的圓柱體材料頂面的圓形區(qū)域內(nèi)。最開始載荷很高，但在一段時(shí)間后會(huì)逐漸下降。除了施加熱載荷外，還添加了一個(gè)邊界條件來模擬整個(gè)頂面的熱輻射，它使零件重新冷卻。假設(shè)材料屬性(熱導(dǎo)率、密度和比熱)和表面輻射率在預(yù)期溫度范圍內(nèi)保持不變，并且假設(shè)沒有其他作用的物理場(chǎng)。我們的建模目標(biāo)是用它來計(jì)算圓柱體材料內(nèi)隨時(shí)間變化的溫度分布。

圖3 方腔熱輻射及室內(nèi)熱輻射+自然流動(dòng)模擬 更新并豐富后處理及監(jiān)控功能 （1）表面流線圖：1.1版本已包含體流線圖，2022 R1版本增加表面流線圖，用于分析平面場(chǎng)流線分布。（2）表面矢量圖：1.1版本已包含體矢量圖功能，2022 R1版本增加表面矢量圖，用于分析平面場(chǎng)矢量分布。

Xu Ziquan 等通過控制激光脈沖的頻率加熱以替代傳統(tǒng)加熱方式，使 GST 膜發(fā)生非易失性相變和可重構(gòu)性凸起，材料發(fā)射率峰值可在 0.1 和 0.7 間切換，該方法為熱輻射控制開辟了新的途徑。

紅外發(fā)射率（Emissivity,ε）作為表征材料表面熱輻射能力的核心物理參數(shù)（定義為物體在相同溫度下輻射能量與理想黑體輻射能量的比值，0≤ε≤1），其數(shù)值大小深刻影響著材料與外界環(huán)境的熱交換過程。這一參數(shù)并非固定不變，而是受材料成分、表面粗糙度、工作溫度及觀測(cè)波段等多種因素的綜合調(diào)控。

結(jié)束語 在結(jié)束上述討論之前，我們來快速地回答一些關(guān)于輻射傳熱問題。雖然這篇文章沒有討論輻射，但工程師在建模時(shí)必須始終考慮它。暴露在環(huán)境條件下的表面會(huì)向周圍輻射熱量，并被太陽加熱。太陽輻射加熱的幅度很大——大約每平方米 1000 瓦，這不應(yīng)該被忽視。關(guān)于模擬輻射到環(huán)境中的熱傳遞的詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)閱讀 我們之前的文章：什么是表面發(fā)射率？對(duì)傳熱計(jì)算有哪些影響？ 。

概述 對(duì)于齒輪的感應(yīng)加熱熱處理過程，本文通過循環(huán)對(duì)稱齒輪模型的感應(yīng)加熱案例簡(jiǎn)單介紹Marc的相變熱處理仿真方法和流程。 循環(huán)對(duì)稱模型仿真須滿足模型結(jié)構(gòu)和邊界條件都遵循循環(huán)對(duì)稱條件，從而在很大程度縮減模型規(guī)模、簡(jiǎn)化模型，減少求解時(shí)間和內(nèi)存需求，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的網(wǎng)格，更詳細(xì)地研究模型。