Термический метаматериал

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к материалу, излучающая/поглощающая способность которого близка к излучающей/поглощающей способности абсолютно черного тела. Метаматериал представляет собой периодически чередующиеся полоски проводящего материала (металла) и диэлектрика, причем ширина полосок диэлектрика больше, чем длина волны максимума излучения при данной температуре, проводящий материал имеет в сечении форму прямоугольников с плоским торцом, выходящим на излучающую поверхность, или треугольников с вершиной, направленной в сторону излучающей поверхности и выходящей на нее, в обоих случаях радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала должен быть меньше длины волны максимума излучения при данной температуре, при треугольном сечении проводящего материала высота треугольников больше длины волны максимума излучения при данной температуре. Технический результат - создание материала, излучательная/поглощательная способность которого близка к абсолютно черному телу. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к метаматериалам, а именно материалам, изменяющим радиационные (излучательные и поглощательные) свойства материалов в сторону их увеличения.

Метаматериалами называют материалы, оптические, тепловые и иные свойства которых не встречаются в природе. В данном изобретении предлагается конструкция материала, излучательная/поглощательная способность которого близка к излучательной/поглощательной способности абсолютно черного тела (АЧТ).

Известно, что при нагреве твердого тела его поверхность излучает электромагнитную энергию в виде волн радио-, инфракрасного (ИК) и видимого диапазонов. Излучательная способность тела r(Т, ω), находящегося при температуре Т, на частоте ω, определяется законом Кирхгофа [Физический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1983]:

r(Т, ω)=а(Т, ω) f(T, ω),

где а(Т, ω) - поглощающая способность тела на той же частоте и при той же температуре, f(T, ω) - функция Планка. Поскольку максимально возможной поглощательной способностью обладает АЧТ, для которого а(Т, ω)=1, оно обладает и наибольшей излучательной способностью.

С целью повышения излучательной/поглощательной способности тела в видимом диапазоне его поверхность покрывают, например, мелкодисперсным углеродом (сажей), которая весьма близка в этом диапазоне к АЧТ. Однако в ИК диапазоне поглощательная, а следовательно, и излучательная способности сажи существенно отличаются от аналогичных способностей АЧТ. Так для длин волн 8..14 мкм излучательная способность сажи не превышает 50% [C.H. Liebert, R.H. Hibbard, Spectral emittance of soot, NASA Technical Note D-5647, 1970].

Наиболее близким по физической сути к предлагаемому решению является описанная в патенте US 7,961,995 В2 Electrically tunable plasmon light tunneling junction МПК G02B 6/26(20060101); G02B 6/10(20060101); G02F 1/035 (20060101) структура металл-диэлектрик-металл (МДМ), в которой под действием внешнего электрического поля при туннелировании электрона из металла с более высоким уровнем Ферми через диэлектрик в металл с более низким уровнем Ферми избыток энергии переходит в плазмон, который на торце структуры конвертируется в фотон. Однако использование подобной МДМ-структуры для изменения термических свойств вещества неприменимо.

Задачей данного изобретения является создание термического метаматериала с характеристиками, приближающимися к характеристикам АЧТ.

Технический результат заключается в возможности реализации данной задачи.

Технический результат достигается тем, что термический метаматериал состоит из периодически чередующихся полосок диэлектрика и проводящего материала. Оптимальная ширина полосок диэлектрика равна длине волны максимума излучения λm при данной температуре Т, следующая из формулы Планка, и приближенно равная 0.354(hc/kT), где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана [Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Статистическая физика, М., Наука, 1976, §163].

Знание температуры Т, фигурирующей выше, необходимо для изготовления метаматериала. Она равна той температуре, при которой предполагается использование метаматериала. Проводящий материал имеет в сечении форму прямоугольников с плоским торцом, выходящим на излучающую поверхность, или треугольников с вершиной, направленной в сторону излучающей поверхности и выходящей на нее. В обоих случаях радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала должен быть меньше λm, при треугольном сечении проводящего материала высота треугольников больше λm.

В качестве проводящего материала используют металлы.

В работах [V.B. Zon, J. Opt. Soc. Am. В 24, 1960 (2007); A.N. Latyshev et al J. Opt. Soc. Am. В 26, 397 (2009); В.Б. Зон и др. УФН 181 №3, 305 (2011)] было теоретически предсказано и экспериментально исследовано явление плазмон-фотонной конверсии, состоящее в следующем. На проводящей плоской поверхности при Т>0 существуют поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), образующие 2-мерный газ квазичастиц, подчиняющихся распределению Бозе-Эйнштейна, вследствие чего их энергия распределена по закону Планка. Подходя к краю проводящей поверхности, ППП конвертируются в электромагнитные кванты (фотоны), имеющие такое же распределение по энергии. Значение коэффициента конверсии близко к 1, если радиус кривизны края проводящей поверхности не превышает длину волны соответствующего фотона. На основе этого явления предложена конструкция метаматериала, излучающие/поглощающие характеристики которого близки к соответствующим характеристикам АЧТ.

Если толщина диэлектрика между проводящими поверхностями становится сравнимой с длиной λm, метаматериал начинает избирательно поглощать и излучать электромагнитную энергию на определенных (резонансных) длинах волн [S. Collin et al Optics Express 15, No 7, 4311 (2007); Chih-Ming Wang et al Optics Express 15, No 22, 14673 (2007); K. Ikeda et al Appl. Phys. Lett. 92, 021117 (2008)], что приводит удалению его характеристик от характеристик АЧТ.

На фиг.1 представлен метаматериал с излучающим материалом в виде параллелепипедов: а - вид сверху на излучающую поверхность; б - вид в разрезе по А-А; на фиг.2 - метаматериал с излучающим материалом, имеющим в разрезе форму треугольников; на фиг.3 представлено распределение температуры по излучающей поверхности образца (соответствие цвета градусам Цельсия указано на шкале справа); на фиг.4 - профиль распределения температуры по поверхности метаматериала, изображенного на фиг.3, вдоль вертикальной линии А-А.

Термический метаматериал представляет собой спрессованные в единое целое периодически чередующиеся слои проводящего материала (металла) 1 и диэлектрика 2, выходящие на излучающую/поглощающую поверхность 3 метаматериала, причем радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала, выходящих на излучающую/поглощающую поверхность, должен быть меньше λm. Проводящий материал в сечении может иметь форму прямоугольника (фиг.1) или треугольников (фиг.2). Противоположная излучающей/поглощающей поверхности часть метаматериала может заканчиваться сплошным слоем диэлектрика или металла, как изображено на фиг.1, 2.

Для экспериментальной проверки предложенного метаматериала был изготовлен его образец, представляющий собой меандр из алюминиевой фольги толщиной 100 мкм с расстоянием между соседними полосками 2 мм. Пространство между полосками было заполнено алебастром. Образец нагревался на электроплитке до температуры 350 град С. Распределение температуры по поверхности образца наблюдалось с помощью тепловизора ThermaCAM SC300 (FLIR Systems). Это изображение приведено на фиг.3. Как видно, радиационная температура торцов меандра ниже, чем радиационная температура областей, заполненных алебастром, непосредственно примыкающих к поверхностям меандра. Радиационная температура алебастра вдали от меандра также ниже температуры областей, непосредственно примыкающих к поверхностям меандра. Профиль температуры представлен на фиг.4. Представленные экспериментальные результаты объясняются явлением плазмон-фотонной конверсии.

1. Термический метаматериал, состоящий из периодически чередующихся полосок диэлектрика, ширина которых больше, чем длина волны максимума излучения при данной температуре, и проводящего материала, имеющего в сечении форму прямоугольников с плоским торцом, выходящим на излучающую поверхность, или треугольников с вершиной, направленной в сторону излучающей поверхности и выходящей на нее, с радиусом кривизны между соседними плоскостями проводящего материала меньшим длины волны максимума излучения при данной температуре.

2. Термический метаматериал по п.1, отличающийся тем, что при треугольном сечении проводящего материала высота треугольников больше длины волны максимума излучения при данной температуре.

3. Метаматериал по п.1, отличающийся тем, что в качестве проводящего материала используют металлы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетике. Представлена производственная установка для осаждения материала на несущую подложку и электрод для использования в такой производственной установке.
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при изготовлении секционных радиаторов для систем водяного центрального отопления жилых, общественных и производственных зданий.

Изобретение относится к теплообменникам и может быть использовано в таких областях промышленности, как металлургия, машиностроение и переработка сельскохозяйственной продукции.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции высокотемпературных теплообменных аппаратов. .
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к установке крупногабаритных тепловыделяющих изделий, эксплуатирующихся в вакууме, в том числе в составе космической техники.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к поверхностям теплообмена, Цель изобретения - повышение теплопередающей способности поверхности теплообмена . .

Изобретение относится к теплотехнике и может 5ыть использовано для конвективного охлаждения тепловыделяющих элементов . .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в качестве устройства для интенсификации теплообмена в теплообменном трубном пучке теплообменника ядерной энергетической установки.

Изобретение относится к котельной технике. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве глушителя выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и в качестве устройства для гомогенизации молока.

Изобретение относится к теплопередающим устройствам и может найти применение в теплообменниках для охлаждения вязкой жидкости. .

Изобретение относится к способам интенсификации теплообмена жидкости с гладкой поверхностью и может быть использовано при изготовлении систем охлаждения гладкой поверхности, в частности, при изготовлении систем охлаждения микроэлектронного оборудования. На гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей диаметра d, расположенных в шахматном порядке на расстоянии L друг от друга. Диаметр d каждой гидрофобной области и расстояние L гидрофобных областей друг от друга определяют из свойств жидкости и охлаждаемой поверхности. Техническим результатом изобретения является интенсификация теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности с минимальными затратами на обработку охлаждаемой поверхности и обеспечение равномерности теплообмена. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к материалу, излучающаяпоглощающая способность которого близка к излучающейпоглощающей способности абсолютно черного тела. Метаматериал представляет собой периодически чередующиеся полоски проводящего материала и диэлектрика, причем ширина полосок диэлектрика больше, чем длина волны максимума излучения при данной температуре, проводящий материал имеет в сечении форму прямоугольников с плоским торцом, выходящим на излучающую поверхность, или треугольников с вершиной, направленной в сторону излучающей поверхности и выходящей на нее, в обоих случаях радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала должен быть меньше длины волны максимума излучения при данной температуре, при треугольном сечении проводящего материала высота треугольников больше длины волны максимума излучения при данной температуре. Технический результат - создание материала, излучательнаяпоглощательная способность которого близка к абсолютно черному телу. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх