单层热缩管工艺（基于热阈值可调的分形结构热二极管）

单层热缩管工艺（基于热阈值可调的分形结构热二极管）图5.倒锥形二极管分支参数的优化。a）在相同的填充分数中演示具有不同分支长度R和不同分支数N的热二极管。b、c）不同分支长度R或不同分支数N的流出温度趋势，作为两个方向上y坐标的函数。图4. 参数模型（不同β）和拓扑模型的分支形态优化。a）具有不同分支形态的热二极管，包括锥形形状（β>0）、倒锥形形状（β<0）、矩形形状（β=0）和拓扑分支。b）对于参数模型，导热功率和热整流系数随填充物体积分数的变化趋势。c）在各种参数模型中，热通量的空间分布由矢量箭头表示。图1.基于分形结构的热二极管的应用和理论模型。a） 用于植物生长和冷链运输的内部环境受控的温度室。b） 正反向不对称传热的模拟结果。图2。具有各种填充物的LCR基板的热整流效应。a）温差（流出端和环境温度）与偏置温度（加热/冷却温度和环境温度）之间的关系。b）不同加热区域的双向传热界面温度。c） 不同填充物的整流系数随填充

热二极管热传导的不对称性归因于热逻辑电路、热控制器件等的热调节。然而，目前热整流装置受到特定开/关开关阈值的限制，或对制造误差的低灵敏度以及特定粗糙度和材料特性的限制。

来自西安交通大学的学者提出了一种基于分形结构（倒锥形分支通道、5.7mm分支长度和4个分支）的热二极管，该结构具有液态金属/绝缘体界面，以避免这些现有的限制。当填充分数仅增加1.33倍时，热整流系数达到0.4704（比基本结构大16.43倍）。当加热温度为80°C时，优化热二极管的最大温差为18.31°C。通过安装在腔室表面的两个热二极管的不同布置，在相同的环境条件下（23.49°C），内部温度范围为16.06至52.34°C，表明热二极管具有良好的热调节效果。这些受控温度室可应用于温室或冷链存储设备中，具有更高热阈值可调性的更多组合有助于解决复杂的热管理问题，提高能源利用效率。相关文章以“Thermal Diodes Based on Fractal Structures with Tunable Thermal Threshold”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202111229

图1.基于分形结构的热二极管的应用和理论模型。a） 用于植物生长和冷链运输的内部环境受控的温度室。b） 正反向不对称传热的模拟结果。

图2。具有各种填充物的LCR基板的热整流效应。a）温差（流出端和环境温度）与偏置温度（加热/冷却温度和环境温度）之间的关系。b）不同加热区域的双向传热界面温度。c） 不同填充物的整流系数随填充物体积分数的变化趋势。d）A1和A2的不对称加热区域。

图3. 分形结构对传热性能的影响。a）分支对微观-宏观传热的影响机制以及声子发射（左）和声子吸收（右）的演示。b）在不同的填充物体积分数f和稳态下，温度趋势作为z坐标的函数。c）瞬态下基本结构（f=11.04%）和最佳分形结构（f=22.09%）的流出温度比较。

图4. 参数模型（不同β）和拓扑模型的分支形态优化。a）具有不同分支形态的热二极管，包括锥形形状（β>0）、倒锥形形状（β<0）、矩形形状（β=0）和拓扑分支。b）对于参数模型，导热功率和热整流系数随填充物体积分数的变化趋势。c）在各种参数模型中，热通量的空间分布由矢量箭头表示。

图5.倒锥形二极管分支参数的优化。a）在相同的填充分数中演示具有不同分支长度R和不同分支数N的热二极管。b、c）不同分支长度R或不同分支数N的流出温度趋势，作为两个方向上y坐标的函数。

图6.热二极管在不同布置的温度室上的性能。a）器件制作方案。b）不同腔室的实验装置和红外图像。c）当安装在腔室的三个方形表面上时，热二极管的不同布置以及由不同布置提供的温度阈值。

综上所述，本文开发了一种基于分形结构的热二极管，在液态金属/绝缘体界面作用下，热整流系数可达到0.4704。当填充材料分数仅增加1.33倍（从11.04%增加到25.77%）时，热整流系数比基本结构增加了16.43倍。在本文的研究中，二极管的最佳分支形态和参数是：液体金属分数为25.77%的倒锥形分支通道为填充物，分支长度为5.7mm，以及4个分支。安装在腔室方形表面上的两个热二极管的不同布置能够在相同的环境条件下产生16.06至52.34°C的内部温度，本文预计，这些受控温度室（具有不同的热阈值）将满足各种作物的生长需求或开发低成本冷链物流。（文：SSC）

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