一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器

本发明涉及一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，属于辐射制冷、光子热管理和柔性超表面等领域。

背景技术：

1、近年来极端炎热气候频发，冷却能源需求大规模增长。辐射制冷通过吸收电磁辐射最小的“大气窗口”(8-13μm)将热量辐射到外太空(冷源)来冷却物体，其零能耗、零污染的优势对于建设节能环保的社会具有深远的意义。

2、基尔霍夫辐射定律表明，同一温度下所有物体的发射功率与吸收功率的比值相等，这意味着良好的辐射吸收体也是良好的辐射发射体。因此，红外吸收体可以通过“大气窗口”向寒冷的外太空辐射能量，实现辐射制冷。而通过对等离子体超表面的合理设计可以调控入射电磁波的所有性质，包括相位、频率、极化和幅度等。

3、根据控制机制，辐射制冷的动态控制可以分为主动和被动两类。主动控制需要有额外的外场驱动，例如引入外部电场等。与主动控制相比，被动控制则不需要额外的控制，更加便于应用。然而，实现被动控制也更加困难，这其中的关键技术是如何将合适的材料与物理设计相结合。另一方面，由于冷却需求通常出现在阳光直射的白天，因此为了避免热辐射调制器由于太阳辐射而变热，在热辐射调制器的设计中减少太阳能吸收也是一个关键的设计因素。

技术实现思路

1、为了解决现有热辐射调制器无法独立感知环境温度的变化并做出相应的热调节行为的问题，本发明采用超表面结构设计红外吸收体以实现热辐射调制，解决当前存在的热辐射调制器难以实现自适应动态控制的难题。

2、为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：

3、一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

4、(1)采用时域有限差分算法，设置辐射调制器的结构，其包括顶部的金属超表面结构层、中间的热膨胀层和底部的金属基底层；

5、(2)确定仿真的初始条件，包括固定金属基底层的厚度，设置调制器结构的边界条件为周期性边界，入射波的波长范围为0.3-2μm的太阳辐射波段和8-13μm的“大气窗口”波段；

6、(3)依次改变金属超表面结构层的结构形状及其参数、厚度，中间热膨胀层的厚度，环境温度，利用fdtd solution软件计算辐射调制器的吸收光谱；

7、(4)根据吸收光谱中的各波段对应的吸收率，计算相应的金属超表面的结构形状对应的热辐射调制器各项辐射功率；

8、(5)通过辐射功率公式计算出调制器的净冷却功率，根据净冷却功率，通过不断优化，筛选出相应金属超表面结构层的结构，得到热辐射调制器。

9、设计得到一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，包括顶部的金属超表面层、中间的热膨胀层和底部的基底，所述调制器能将物体内的热量通过8-13μm波段向外太空辐射，实现辐射过程的动态自适应调节。

10、进一步，所述金属超表面层为蜂窝状结构。

11、进一步，所述蜂窝状结构的各边为断开结构。

12、进一步，所述金属超表面层和所述基底的材料为金、银或铜。

13、进一步，所述热膨胀层的材料为聚二甲基硅氧烷或聚乙烯吡咯烷酮。

14、进一步，所述蜂窝状结构的各边宽度为120-210nm，所述蜂窝状结构的厚度为150-300nm。

15、进一步，所述热膨胀层的厚度为100-250nm。

16、进一步，所述蜂窝状结构的各边在中点处断开。

17、进一步，还包括制作基于超表面的动态自适应热辐射调制器的方法，其包括如下步骤：制作基底；在基底上形成热膨胀层；在热膨胀层上形成刻蚀层；通过刻蚀技术在刻蚀层内部刻蚀出微结构；将金属沉积到微结构中，形成金属超表面层；移除刻蚀层，清洁样品表面，得到热辐射调制器。

18、进一步，还包括一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器的散热方法，其特征在于：将热辐射调制器设置在物体上，当物体内部温度从室温开始升高时，物体的热量传导到所述热辐射调制器上，使得所述热辐射调制器的结构发生变化，从而将物体的热量以8-13μm的波段向外辐射。

19、进一步，还包括一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器的散热方法在建筑的应用。

20、进一步，还包括一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器的散热方法在有源光电子器件的应用。

21、采用上述的技术方案，本发明相较于现有技术，其所取得的有益效果为：本发明设计的具有金属超表面结构层、热膨胀材料层和金属基底层的热辐射调制器，随着环境温度的变化，热膨胀材料的膨胀或收缩能控制金属超表面结构的断开和衔接，即控制结构在大气窗口波段的吸收和反射，最终实现辐射制冷功能的“开”和“关”状态的切换，以实现被动自适应热辐射调制。

技术特征：

1.一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：包括顶部的金属超表面层、中间的热膨胀层和底部的基底，所述调制器能将物体内的热量通过8-13μm波段向外辐射，实现辐射过程的动态自适应调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述金属超表面层为蜂窝状结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述蜂窝状结构的各边为断开结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述金属超表面层和所述基底的材料为金、银或铜。

5.根据权利要求1所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述热膨胀层的材料为聚二甲基硅氧烷或聚乙烯吡咯烷酮。

6.根据权利要求2所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述蜂窝状结构的各边宽度为120-210nm，所述蜂窝状结构的厚度为150-300nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述热膨胀层的厚度为150-300nm。

8.根据权利要求3所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，其特征在于：所述蜂窝状结构的各边在中点处断开。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器的制作方法，其包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于超表面的动态自适应热辐射调制器，包括顶部的金属超表面层、中间的热膨胀层和底部的基底，所述调制器能将物体内的热量通过8‑13μm波段向外辐射，实现辐射过程的动态自适应调节。本发明设计的热辐射调制器结构包括金属超表面结构层、热膨胀材料层和金属基底层。随着环境温度的变化，热膨胀材料的膨胀或收缩能控制金属超表面结构的断开和衔接，即控制结构在大气窗口波段的吸收和反射，最终实现辐射制冷功能的“开”和“关”状态的切换，以实现被动自适应热辐射调制。

技术研发人员：苏巍,宋德禹,陆瀚文,丁志鹏,姚红兵,陈秉岩
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13