基于超材料的定向传热结构研究与设计

在热斗篷研究的基础上, 提出定向传热结构的研究. 基于变换热力学, 采用坐标斜变换推导了定向传热结构热导率分布的表达式. 数值计算结果表明, 外部热流流经定向传热区域时, 热流向设计的高温面流动, 而设计的低温面温度较低. 此外, 在导出的热导率分布表达式的基础上, 进一步进行坐标旋转变换, 得到的热导率表达式只有相互垂直的两个分量. 计算结果表明, 沿高温面法向的热导率增大时, 传热效率提高, 而且经过坐标旋转变换后, 高温面与低温面的温差增大. 定向传热在红外隐身、热防护领域具有潜在的应用价值.     

二维人工超材料的光学拓扑性质

以超表面为代表的二维人工超材料通过其亚波长单元增强光与物质的相互作用,进而操控光的振幅、相位、偏振、轨道角动量等物理量.目前,非平凡拓扑性质的二维人工超材料由于具有鲁棒的光单向传输等性质成为了光学领域的研究重点.拓扑相不仅成为了凝聚态物理领域一种描述物质的新的自由度,也成为描述人工超材料光学性质的一个新的参量.本文从拓...     

超晶格和层状结构传热特性的连续模型及其在能源材料设计中的应用

层状材料和超晶格结构为提高热电材料和隔热涂层提供了新的设计思路, 并成为最近的研究热点. 应用连续波动方程和线性阻尼理论, 本文研究了此类材料中的声子输运特性. 给出了在整个相空间里的界面调制和声子局域化效应, 得出了超晶格材料热导率的上极限和下极限; 同时, 分析表明界面锐化加强了声子带隙, 使得部分模态的声子局域化加强. 最后, 通过对石墨烯/氮化硼超晶格(G/hBN)和硅/锗超晶格的分子模拟(Si/Ge), 验证了该理论模型. 该方法适用于所有的层状材料和超晶格结构, 对此类新能源材料的设计提供了普适的设计思路.     

基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器

可饱和吸收体作为非线性光学行为的物质载体,是获得超快激光的关键材料.基于石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、黑磷等二维材料为代表的可饱和吸收体具有不同的光学优点,但仅依赖某一方面光学优势的单一材料,很难避免其应用的局限性.通过异质结结构结合不同二维材料的优势,达到光学互补效应,为制备高性能的新型可饱和吸收体,实现短脉宽高峰值功率的输出提供了思路和借鉴.本文总结了异质结可饱和吸收体的制备方法、能带匹配模型、电子跃迁机理,并从工作波长、输出脉宽、重复频率、脉冲能量等重要参数对国内外基于二维材料异质结激光器的研究进展进行了综述,此外,对二维材料异质结在光调制器、超快激光、可饱和吸收体、光开关等方向的发展前景进行了展望.     

二维磁流变包层声学超材料*

该文构建了以钨为内核、环氧树脂为基体、磁流变弹性体作为包层的二维局域共振型声学超材料,采用有限元方法分析了声波的能带结构、透射率、振动模。研究结果表明:利用外磁场可以调控磁流变弹性体包层的弹性模量,从而调节声学超材料带隙的中心位置和宽度,还可以通过改变磁流变弹性体包层的厚度来调节带隙的中心位置和宽度。这些方法对可调型声学超材料的设计有重要的参考意义。     

二维平板通道中流动与传热的格子-Boltzmann模拟

格子-Boltzmann数值模拟方法(LBM),在最近十几年来得到迅速发展。本文发展了LBM的流动与传热模型,并对二维平板通道中的流动与传热进行了模拟,采用密度分布函数得到速度场,用单独的内能分布函数得到温度场,并与传统FVM方法所得到的多个特征量结果进行了比较,模拟结果与FVM解均吻合很好。鉴于LBM边界条件处理简单和易于实施等特点,该方法可望成为求解流动与传热的一种有效数值模拟手段。     

光学透明红外与雷达兼容隐身复合超表面

基于透明导电材料氧化铟锡(ITO)、高透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),设计并实现了光学透明超宽带雷达与红外兼容隐身的复合超表面.该结构由两个专门设计的光学透明超表面组成,由内到外依次为雷达吸波层、红外低发射层.通过调节谐振器尺寸和ITO的方阻实现了微波段8.0～32.0 GHz频带内吸收率高于90％的宽带吸波.利...     

基于双梯形金属条的二维超材料性能分析

提出了一种基于平行金属条和细金属线的双梯形二维超材料结构单元.该结构由介质板以及其两侧放置的一对反向对称梯形金属条组成.与传统二维超材料相比,该结构在电磁波平行入射时具有双左手频带特性,在电磁波双向入射情况下具有良好的左手频带拓展性,且结构易于制备.利用电磁仿真软件分别模拟电磁波垂直入射和平行入射条件下该结构的电磁性能.结果表明:该结构在两种入射情况下均能实现双负特性;梯形上底每增大0.5mm,双入射情况下结构的双负特性分别向高频移动0.2GHz和0.4GHz.该研究对基于平行金属条的左手材料的研究以及二维左手材料的发展具有参考价值.     

基于主动声学超材料的圆柱声隐身斗篷设计研究

基于多层复合材料结构的二维声隐身斗篷设计思想, 利用主动隔膜声学空腔有效密度可以任意控制这一特性, 设计了主动声学超材料下的无限长圆柱声隐身斗篷. 给出了主动隔膜声学空腔单元的声电元件类比模拟电路图和具体的有效密度控制方法. 进行了主动声学超材料声隐身斗篷的结构建模, 并对平面入射波入射下此圆柱隐身斗篷周围声压分布场进行仿真计算. 结果表明, 平面波在一定频率范围内可以毫无阻碍地透过圆柱斗篷, 似乎不存在这种障碍物, 达到声隐身效果. 同时, 计算了主动声材料斗篷下总散射截面随频率变化曲线, 研究了此斗篷隐身效果随频率的变化特性. 本文从主动控制角度探讨实验实现隐身斗篷的技术问题, 有望给声隐身斗篷实验设计提供一条新的技术途径.     

多孔材料传热特性的试验研究

对多孔材料在低温下的传热特性进行了试验研究,试验结果表明在填充多孔材料以后夹板表面低温维持时间明显增加,主要原因是由于多孔材料的参与改变了传热特性,且材料的密度与其传热特性有着密切的关系。在一定范围内,随着多孔材料密度的增大,其传热特性不断增强。     

基于传输线的特异材料

特异材料（metamaterials）是指自然界中不存在的具有奇异电磁特性的人工结构，通常指的是介电常数和磁导率同时为负值的左手材料（left-handed materials）。自从2002年利用传输线制备左手材料的思想被提出后，人们对基于传输线的特异材料进行了大量的研究。文章着重概述了近年来人们所提出的几种典型的传输线特异材料的结构、制备方法、实现左手性的原理以及各自的特点。     

基于二维声子晶体第一带边态的声学定向辐射

采用多重散射方法研究二维四方钢/水声子晶体中线源的辐射问题。数值结果表明利用声子晶体ΓΜ方向的第一带边态可以实现声定向辐射。利用文中设计的三角形晶体结构既可以实现声波的单束定向辐射,还能够得到传播方向互相垂直的双束定向辐射。该研究对声子晶体功能器件的设计具有一定的意义。     

基于高吸水/保水材料的红外隐身复合材料的可行性研究及效能评价

根据战场条件及红外材料的性能要求,在研究高吸水/保水材料特性的基础上对开发基于高吸水/保水材料的红外隐身复合材料的可行性进行研究分析,提出以高吸水/保水材料为基底的红外隐身复合材料的两种设计方案并制备出该红外隐身复合材料样板.通过对其进行红外效果评价,结果表明,该材料若作为军事目标的表面材料能有效改变目标的红外辐射特性...     

基于单面金属结构的二维宽带左手材料

利用将磁谐振器与共面短金属导线相结合的思想,设计了一种基于单面金属结构的二维左手材料. 理论分析与仿真结果均表明该结构在某一频段同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,并且相对左手带宽达到36%. 此外,该结构具有良好的容错能力,短金属导线宽度的变化对整体结构的谐振频率及通带宽度影响很小,这不仅有利于实际加工而且对于设计红外及太赫兹频率范围下的左手材料具有参考价值. 关键词： 左手材料 磁谐振器 宽频带 容错性     

基于二维六方氮化硼材料的光子晶体非对称传输异质结构设计

二维六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)材料在产生光学稳定的超亮量子单光子光源领域有着潜在应用,有望用于量子计算和信息处理平台,已成为研究热点.而光学非对称传输设备是集成量子计算芯片中的关键器件之一.本文从理论上提出了一种基于hBN材料光子晶体异质结构的纳米光子学非对称光传输器件.运用平...     

基于混合左右手和人工传输线的平面双定向耦合器

利用人工传输线作为右手传输线,与混合左右手传输线(CRLH-TL)进行耦合,实现左手传输线和右手传输线的混合耦合,构造了一种新型的定向耦合器。该耦合器具有后向耦合、小型化、结构紧凑的特点。实验测试结果表明：耦合器的工作频率在1.3~1.8 GHz,相对百分比带宽达到32%,实现了10 dB的耦合度,比常规微带线定向耦合器具有更大的耦合度调节范围,隔离度大于25 dB。实验测试结果与电磁仿真结果相吻合。     

双光子吸收对光子晶体定向耦合全光开关的影响

 利用时域有限差分方法,在非线性条件下,考虑双光子吸收效应的同时,建立了分析2维光子晶体定向耦合波导光开关的模型。数值计算结果表明,对于长度较短的波导耦合器件,在强控制光和非线性条件下,双光子吸收效应会对波导的耦合作用产生一定的影响,从而改变入射光的透射特性,使光开关控制的动态过程发生变化。故而在设计全光开关器件时,对强控制光条件下的非线性双光子吸收效应有必要作为影响因素考虑进去。     

双光子吸收对光子晶体定向耦合全光开关的影响

利用时域有限差分方法,在非线性条件下,考虑双光子吸收效应的同时,建立了分析2维光子晶体定向耦合波导光开关的模型。数值计算结果表明,对于长度较短的波导耦合器件,在强控制光和非线性条件下,双光子吸收效应会对波导的耦合作用产生一定的影响,从而改变入射光的透射特性,使光开关控制的动态过程发生变化。故而在设计全光开关器件时,对强控制光条件下的非线性双光子吸收效应有必要作为影响因素考虑进去。     

基于传输线的单负材料双层结构的隧穿性质

通过传输线方法实现了负介电常数(ENG)和负磁导率(MNG)材料,并在实验上研究了由两种单负材料组成的双层结构(ENG-MNG)的电磁隧穿性质.结果表明,两种单负材料均不支持电磁波的传播,然而ENG-MNG双层结构在结构的平均介电常数和平均磁导率分别为零的条件下,具有完全隧穿模,并且这一隧穿模不随着结构尺度的改变而改变.在隧穿频率点,通过对ENG-MNG双层结构中电场分布的模拟与测量,实验上观察到了倏逝场的指数放大.