哈尔滨工业大学杨月教授：双曲超材料填充式近场辐射传热超越热传导的固态热管理新思路

转自 传热传质青委会

研究背景

近年来，随着电子器件集成度不断提高，散热问题已成为制约设备性能与寿命的关键瓶颈。近场辐射换热（NFRHT）作为一种可突破黑体辐射极限的传热方式，通过纳米尺度真空间隙内的倏逝波隧穿效应，能够实现远超远场辐射的换热通量，在热光伏发电、精密热管理等领域展现出广阔应用前景。然而，现有近场辐射换热实验普遍依赖亚100 nm甚至10 nm量级的真空间隙来获得高热流密度，这类间隙的加工与维持极为困难，导致有效换热面积被限制在微米量级，尽管热流密度可观，总辐射功率却始终远低于同等温差下的固体热传导。保持纳米级真空间隙的现实困难和十分有限的可测总辐射功率，使得近场辐射长期停留在实验室验证阶段，成为其走向规模化、工业化应用的核心障碍。

另一方面，在传统固态热管理体系中，热传导始终被视为主导的传热途径，而热辐射的贡献由于量级悬殊往往被忽略不计。若能突破真空间隙对换热面积的限制，使近场辐射热流在宏观尺度下达到与热传导相当甚至更高的水平，则意味着辐射换热有望从固态系统中的忽略因素转变为可主动利用的独立传热通道。这不仅能够为高功率密度器件提供一种全新的散热机制，还可为近场热光伏等能量转换技术开辟以固态介质替代真空间隙的可行路径，具有重要的科学意义与应用价值。

研究内容

正是基于上述以固态介质突破真空间隙限制、并使辐射热流在宏观尺度下比肩甚至超越热传导的核心思路，哈尔滨工业大学（深圳）杨月课题组提出了一种钾（K）掺杂SiO₂纳米多孔超材料，作为兼具双曲色散特性与低损耗特性的功能性填充介质，用以替代传统真空间隙结构。该复合材料通过在多孔SiO₂基体的贯穿孔道中填充金属钾构建而成，既规避了对理想化介电参数或天然各向异性晶体（如取向依赖的六方氮化硼）的依赖，又具备良好的工艺可实现性，为将近场辐射从实验室验证真正推向宏观尺度、工业化应用奠定了材料基础。

在理论建模方面，课题组建立了一套完整自洽的多物理场耦合框架，将涨落电动力学、介质内部热传导以及基于能量守恒的非线性温度分层耦合求解，从而定量厘清填充介质内部辐射与传导两种机制的竞争关系。具体而言，模型将填充介质沿厚度方向离散为多个等温子层，每一子层同时受到相邻层的传导热流以及来自其余各层的累积辐射热流的共同作用，通过迭代求解各界面处传导与辐射热流的动态平衡，最终获得整个填充层的非线性温度分布——这一分布特征与传统纯导热体系中的线性温度分布存在本质差异，正是辐射贡献不再可被忽略的直接体现。发射体与接收体材料选用掺杂浓度为10²⁰ cm⁻³的重掺杂硅，以激发宽频表面等离激元，填充介质有效介电特性则通过Bruggeman有效介质理论计算获得。

最具突破性的发现体现在系统的整体传热性能对比上：在固定100 nm填充厚度下，随着发射体-接收体温差（ΔT）增大，辐射热流呈非线性快速增长，而传导热流相对稳定，当ΔT超过300 K时，辐射热流首次超越传导热流，实现了全固态体系中"辐射主导传导"的现象，正印证了前文所述辐射换热有望成为可主动利用的独立传热通道这一设想；同时，在ΔT = 100 K条件下考察填充层厚度（50-200 nm）的影响，发现辐射与传导热流均随厚度增加而单调衰减，且呈现出相似的下降趋势，表明辐射-传导可比拟关系在较宽厚度范围内均能保持，验证了该架构在宏观尺度实现的可扩展性。

图1 （a）K掺杂SiO2双曲超材料填充式近场辐射换热系统示意图；（b）考虑辐射-传导耦合传热的一维离散多层模型

图2 填充比为0.1时K掺杂SiO₂纳米多孔超材料有效介电张量的实部与虚部

图3 （a）近场辐射热流光谱分布，以及（b）发射体与（c）填充介质对接收体的透射系数等值线图

图4 填充式近场辐射系统中辐射与传导热流随（a）发射体-接收体温差与（b）填充介质厚度的变化对比

总结与展望

本研究通过合理设计双曲超材料填充层，论证了可在全固态系统中实现近场辐射热流超越热传导，有望克服近场辐射技术应用目前面临的大面积纳米级真空间距难以实现这一核心瓶颈问题，也为高功率密度热管理提供了新思路。

1. K掺杂SiO₂复合材料兼具结构稳定性与优异的双曲色散性能，相较理想化材料模型和天然晶体，具有更强的实验可实现性，为后续实验验证奠定了基础；

2. 该填充式近场辐射体系可在较小温差下实现高辐射功率密度输出，有望应用于近场热光伏发电系统，有效降低电池因高温发射体而过热损坏的风险；

3. 课题组同时验证了银、铜等其他金属替代钾作为填充材料时表现出类似的增强现象，表明该设计思路具备良好的普适性和未来实验拓展空间；

4. 尽管本研究通过理论评估表明钾的金属渗透与热膨胀效应在当前工况下影响可忽略，但面向更宽温度区间和更长服役寿命的实际应用，仍需对相关效应及界面热阻开展更精细的实验表征。

论文信息

Xingyu Yao, Yue Yang*, Zhaole Liao, Zhekai Chen. Competition and coupling of nanoscale radiative and conductive thermal transfer in a fully filled hyperbolic medium. Physical Review B, 2026, 114: 045410.

DOI: https://doi.org/10.1103/r9b4-jwh9

作者介绍

杨月，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，《Carbon Neutrality》《新能源进展》期刊青年编委。主要研究领域为微纳尺度传热传质及太阳能应用，包括近场辐射传热机理与应用研究，基于微纳米光学的涂层设计应用于节能或能源转换研究，以及光伏光热建筑一体化研究。2012年本科毕业于中国科学技术大学热科学与能源工程系，2016年博士毕业于美国亚利桑那州立大学机械工程系。2017年入职哈尔滨工业大学（深圳），主持包括国自然面上项目、青年项目、深圳市优秀青年项目等在内的国家省市级纵向、横向科研项目10余项。已发表60余篇SCI收录学术文章，包括一作/通讯发表在Physical Review Letters，Energy Conversion & Management等期刊，申请/授权国家发明专利10余项。

联系方式：yangyue2017@hit.edu.cn