Table of Contents

В течение десятилетий инженеры смотрели на природу не только для эстетического вдохновения, но и для функциональных чертежей, которые решают некоторые из самых трудноразрешимых инженерных проблем. Среди наиболее насущных проблем - это управление теплом - в частности, как строить щиты, которые могут выдерживать и быстро рассеивать экстремальную жару. Независимо от того, защищает ли космический корабль во время атмосферного возвращения, охлаждает ли электронный компонент в смартфоне следующего поколения или защищает военную технику от угроз направленной энергии, спрос на более легкие, более сильные и более термически эффективные материалы неустанно. Био-вдохновленные структуры - конструкции, имитирующие геометрию, текстуру и иерархическую организацию, найденную в биологических организмах - предлагают многообещающий путь вперед. Путем репликации поверхностей пустынных жуков, чешуйки рептилий, крылья насекомых и пористые скелеты морской жизни, исследователи достигают производительности рассеивания тепла, которая часто превышает традиционные инженерные материалы.

В этой статье дается всестороннее исследование того, как био-вдохновленные структуры используются для усиления рассеивания тепла в щитах. Мы исследуем фундаментальные механизмы теплопередачи, конкретные биологические модели, которые в настоящее время исследуются, методы синтеза и изготовления этих материалов и реальные приложения, которые приносят наибольшую пользу. Мы также обсуждаем проблемы масштабирования этих конструкций от лабораторий до производственных линий и намечаем наиболее перспективные направления исследований. На протяжении всего мы связываемся с рецензируемыми исследованиями и авторитетными техническими ресурсами, чтобы вы могли проверить претензии и глубже погрузиться в конкретные темы.

Основы рассеивания тепла в защитных приложениях

Тепло рассеивание в щитах включает в себя три основных режима теплопередачи: проводимость, конвекция и излучение. В высокотемпературных средах, таких как поверхность гиперзвукового транспортного средства или интерьер модуля силовой электроники, щит должен быстро перемещать тепловую энергию от защищенной подложки и высвобождать ее в окружающую среду. Традиционные щиты часто полагаются на толстые, тяжелые слои абляционных материалов (которые разрушаются специально), толстые металлические теплоотводы или активные петли охлаждения, которые добавляют вес и сложность. Био-вдохновленные конструкции направлены на достижение сопоставимых или превосходных тепловых характеристик с меньшей массой и объемом путем оптимизации площади поверхности, микроструктуры материала и взаимодействия жидкости.

Ключевые механизмы теплопередачи, усиленные био-вдохновленными структурами

  • Радиационное охлаждение:] Многие биологические поверхности, такие как белые чешуйки некоторых жуков, проявляют высокую излучательную способность в атмосферном окне (8–13 мкм), что позволяет им эффективно излучать тепло в холодное пространство.
  • Конвективный теплообмен:] Поверхностные текстуры, вдохновленные крыльями насекомых и листьями растений, создают шероховатость микронного масштаба, которая нарушает пограничный слой воздуха или охлаждающей жидкости, протекающий над щитом, значительно увеличивая конвективный коэффициент теплопередачи.
  • Проводимость через иерархические структуры: Пористые, взаимосвязанные сети — похожие на трабекулярную кость животных или скелет стеклянных губок — эффективно проводят тепло вдоль твердых распорок, сохраняя при этом объемный материал легким. Иерархия масштаба (нано-, микро- и макромасштаб) может быть настроена на прямое тепло преимущественно вдоль желаемых тепловых путей.

Биологические модели для терморегуляции

Природа изобилует организмами, которые процветают в экстремальных тепловых условиях. Следующие биологические модели оказались особенно поучительными для конструкции щита.

Ящерица тернистого дьявола (]Молох Хорридус]

Эта австралийская пустынная ящерица славится своими колючими, грубыми чешуйками. Шкалы покрыты микроскопическими канавками, которые создают супергидрофобную поверхность, но их основная тепловая функция заключается в отражении поступающего солнечного излучения и облегчении конвективного охлаждения. Шпины также увеличивают общую площадь поверхности для теплообмена. Исследователи из таких учреждений, как Университет Квинсленда, воспроизвели эти поверхностные узоры на металлических подложках с помощью лазерной абляции, демонстрируя 20-35-процентное улучшение рассеивания тепла по сравнению с гладкими поверхностями того же материала.

Пустынный Жук (]Стенокара Грацилипс)

Экзоскелет жука пустыни Намиб имеет рисунок чередующихся гидрофильных и гидрофобных бугорков. Эта конструкция наиболее известна сбором воды, но те же куполообразные выступы также эффективно рассеивают солнечный свет и испускают инфракрасное излучение. Инженеры создали полимерные и керамические покрытия с использованием фотолитографии и 3D-печати для репликации этих бугорков, похожих на жуков. Эти покрытия могут снизить температуру поверхности щита до 10 ° C при солнечной нагрузке по сравнению с плоской черной поверхностью. Двойная функция - охлаждение плюс самоочищение - делает их привлекательными для наружного применения аэрокосмической и солнечной панелей.

Крылья насекомых (Dragonflies, Cicadas)

Крылья насекомых покрыты наноразмерными колоннами (обычно высотой 100-500 нм), расположенными в перекрывающихся массивах. Эти наноструктуры вызывают градиент показателя преломления, который снижает отражательную способность, но они также нарушают воздушный поток вблизи поверхности, способствуя смешиванию пограничного слоя и усиливая конвективное охлаждение. Исследования Мельбурнского университета показали, что репликация наноструктур крыла цикады на алюминиевых теплоотводах улучшает коэффициенты теплопередачи на целых 40% в условиях принудительной конвекции. Антибактериальные свойства этих структур являются дополнительным преимуществом для медицинских или пищевых щитов.

Морские губки (]Euplectella aspergillum)

Стеклянная губка Euplectella aspergillum (также известная как корзина цветков Венеры) обладает легкой, иерархической решеткой из кремнезема. Несмотря на то, что она сделана из относительно плохих теплопроводников (кремнезем), геометрия решётки — с диагональными поперечными и иерархическими размерами стойки — обеспечивает исключительную механическую жесткость и направляет тепло вдоль стойки. Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвине использовали аддитивное производство для создания титановых и алюминиевых версий этой решётки для использования в качестве теплоотводов и структурных панелей. Полученная решётка на 60% легче, чем твердый металл тех же размеров, но проводит тепло почти так же эффективно, как твердый из-за оптимизированных путей , 2020]

Растения кактусов и кактусовые шипы

Хотя менее непосредственно связанные с рассеиванием тепла, направленная поверхность структуры кувшинов (которые создают скользкую поверхность на ободе) и кактусовые шипы (которые собирают влагу) вдохновили конструкции для микрофлюидных охлаждающих каналов, интегрированных в щиты. Подражая позвоночной структуре кактуса , исследователи разработали капиллярные фитильные структуры, которые могут перемещать охлаждающую жидкость по горячей поверхности без какого-либо насоса, удаляя до 500 Вт / см2 тепла. Этот пассивный подход охлаждения очень привлекателен для компактных электронных щитов.

Принципы проектирования и материальные системы

Перевод биологии в инженерию требует перегонки функциональных принципов, а затем выбора или проектирования материалов, которые могут реализовать эти принципы в масштабе.

Поверхностные микроструктуры для улучшенной конвекции и излучения

Фундаментальный принцип, полученный из чешуи жука и крыльев насекомых, заключается в том, что шероховатость поверхности в микронном и субмикронном масштабе нарушает термический пограничный слой. Для конвективного охлаждения структура должна быть достаточно высокой (10-100 мкм), чтобы выступать за ламинарный подслой. Для радиационного охлаждения структура должна быть спроектирована для достижения высокой излучательной способности в инфракрасном диапазоне при низкой абсорбции в солнечном спектре. Два общих подхода:

  • Текстура лазерной поверхности:] Использование фемтосекундных или наносекундных лазеров для смазывания узоров непосредственно на металлических или керамических поверхностях. Этот метод быстрый, без маски и может применяться к изогнутым поверхностям. Полученная поверхность часто сочетает шероховатость с химическими модификациями (оксидными слоями), которые дополнительно повышают излучательность.
  • Аддитивное производство: 3D-печать (особенно двухфотонная полимеризация или селективное лазерное плавление) позволяет точно воспроизвести сложные иерархические формы, такие как раскладки стеклянных губок или бугровые массивы экзоскелетов жуков.

Пористые и иерархические материалы

Иерархические решетки, найденные в скелетах костей и губок, предлагают план для легких, прочных и теплопроводящих щитовых ядер. В настоящее время активно исследуются две ключевые материальные системы:

  • Металлические пены с градуированной пористостью: Создание пенопластов с более крупными порами на горячей стороне и более тонкие поры на холодной стороне могут производить эффект «теплового диода», способствуя направленному тепловому потоку. Производственные маршруты включают порошковую металлургию, электрохимическое осаждение на полимерном шаблоне или прямую металлическую печать.
  • Керамические композиционные пены: Карбид кремния (SiC) и пены из оксида алюминия (Al2O3) отлично подходят для высокотемпературных щитов (> 1000 °C), поскольку они сохраняют жесткость и коррозионную стойкость. Путем инфильтрации пены с материалом фазового изменения (например, парафиновым воском или металлическим сплавом с низкой температурой плавления), скрытое поглощение тепла может значительно увеличить тепловую емкость щита для кратковременных событий.

Материалы с фазовыми изменениями (PCM), вдохновленные биологическим транспортом жидкостей

Многие биологические организмы переносят жидкости через капиллярное действие в тонких каналах (например, кровеносные сосуды, ксилем). Интеграция PCM в пористые структуры, вдохновленные био, создает гибридный щит, который может поглощать большое количество тепла во время переходного события (например, лазерный удар или повторное нагревание), а затем медленно высвобождает его. Пористая структура обеспечивает равномерное распределение PCM и предотвращает утечку. Недавние работы Центра экологической энергетической инженерии Университета Мэриленда продемонстрировали 150-процентное улучшение времени тепловой защиты электронных щитов с использованием биоинспирированной медной пены, инфильтрированной парафиновым воском.

«Самая большая проблема с био-вдохновленными тепловыми экранами — это не дизайн, а производство. Природа строится при температуре окружающей среды и с самосборкой; нам нужно достичь эквивалентной сложности с использованием экономически эффективных масштабируемых процессов». — Доктор Лия Чен, Отдел материаловедения, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.

Масштабируемость производства и производства

Переход от демонстрации в лабораторных масштабах к промышленному продукту требует методов изготовления, которые могут производить био-вдохновленные поверхности и внутренние структуры на больших панелях (например, 1 м × 1 м для тепловых панелей космических аппаратов или 20 см × 20 см для панелей серверных стоек).

Нанопечать Roll-to-Roll

Для гибких щитовых подложек (полимерные пленки, тонкие металлы) наноимпринт с использованием ролика с мастер-образцом может непрерывно воспроизводить текстуры крыла насекомых или жука-камушка со скоростью до 10 м/мин. Данный метод уже используется для изготовления светоотражающих пленок молиного глаза и адаптируется для применения в терморегулировании. Плодочность рисунка высока (до 50 нм), но долговечность отпечатанных конструкций при высокой температуре и механическом износе по-прежнему ограничена.

Прямая печать чернил (DIW) 3D

DIW, тип экструзионного аддитивного производства, может использоваться для печати иерархических решетчатых структур из керамических или металлических чернил. Чернила содержат частицы, которые спекаются после печати. Этот метод медленнее, чем рулон-к-роллу, но может производить действительно трехмерные, оптимизированные внутренние архитектуры, такие как губчатая решетка. Для щитовых применений основным фактором является достижение высокой плотности стойок без засорения сопла. Недавние достижения в «свободной» печати (печати в опорном геле) позволили нависать структуры, напоминающие морские скелеты.

Электроспиннинг для пористых нетканых материалов

Электроспиннинг производит коврики из нановолокна, имитирующие пористые структуры кутикул насекомых с высокой поверхностью. Добавляя керамические нановолокна (например, оксид алюминия) или углеродные нанотрубки, коврик может быть сделан теплопроводящим и механически прочным. Электроспун-маты уже используются в защитной одежде и фильтрующих средах; адаптация их для жестких или полужестких тепловых экранов осуществляется такими компаниями, как Nanostructure & Composite Materials, LLC.

[Прочитайте недавний обзор электроспиннинга для управления температурой в Журнал химии материалов A

Реальные приложения и тематические исследования

Щиты для рассеивания тепла, созданные с помощью биоиндустрии, не просто лабораторные диковинки, они начинают появляться в коммерческих и военных системах.

Воздушно-космический вход и гиперзвуковые транспортные средства

Исследовательский центр Эймса НАСА протестировал пористый керамический тепловой экран с поверхностным рисунком, вдохновленным жуком черепахи (]Chelymorpha alternans. Этот рисунок увеличивает излучательную способность керамики с 0,6 до 0,9, что означает, что при температурах повторного входа (2000 °C) щит излучает тепло более эффективно, уменьшая толщину требуемого абляционного материала. В результате экономия веса 15% на плитку может позволить более длительные миссии или повышенную полезную нагрузку. (см. Сервер технических отчетов НАСА)

Аккумуляторные пакеты для электромобилей

Теплоотвод в литий-ионных батареях является критической проблемой безопасности. Исследователи BMW и MIT совместно разработали корпус аккумуляторной батареи, который использует иерархическую алюминиевую решетку (вдохновленную корзиной цветка Венеры) в качестве структурной охлаждающей пластины. Решетка направляет охлаждающую жидкость непосредственно вокруг каждой ячейки и отводит тепло через металлические распорки. В тестах, в упаковке поддерживалась температура ячейки ниже 55 ° C даже во время быстрой зарядки (3 ° C), по сравнению с 70 ° C для обычной плавниковой пластины. Решетка также обеспечивает защиту от аварии - двойная функция, которая экономит вес.

Щиты энергетического оружия

Военные лазеры могут доставлять мегаватты энергии за секунды. Защитные щиты для оптики или датчиков должны рассеивать это тепло без деформации или ухудшения. Программа DARPA «Постоянное оптическое охлаждение противника» изучает био-вдохновленные микроканальные массивы (на основе ветвящейся структуры вен листьев), которые циркулируют охлаждающей жидкости с минимальным падением давления. Прототип с использованием медной микроканальной сети, вдохновленной Гинкго билоба , вентиляция листьев рассеивалась 1,2 кВт / см2 — десятикратное улучшение по сравнению со стандартными прямоканальными конструкциями. Такая производительность имеет решающее значение для будущих систем лазерной защиты.

Потребительская электроника

Смартфоны и ноутбуки имеют радиаторы, на которых часто штампованы алюминиевые или медные плавники. Био-вдохновленные конструкции могут уменьшать толщину, используя иерархические микро/наноструктуры для усиления естественной конвекции. Apple подала патенты на «иерархический материал теплового интерфейса», который использует пористую углеродную пену с бугорками жука для распространения тепла от процессора к корпусу. Пока еще не в производстве, принцип звук и может появиться в iPhone следующего поколения.

Проблемы и ограничения

Несмотря на обещание, остаются некоторые препятствия, прежде чем щиты, вдохновленные биологическими свойствами, станут широко распространенными.

Долговечность в экстремальных условиях

Многие биоинспирированные структуры основаны на особенностях с высоким соотношением сторон (высокие столбы, тонкие решетки), которые могут быть разрушены высокоскоростным воздушным потоком, подверженным воздействию мусора или деградировать при термическом цикле. Например, наноструктуры крыла насекомых невероятно хрупки; реплики с использованием полимеров (например, PDMS) не могут выдерживать температуры выше 300 ° C. Металлические или керамические реплики более прочны, но их изготовление более дорого. Покрытия, такие как осаждение атомного слоя (ALD) глинозема, могут защищать поверхность без сглаживания текстуры, но добавление таких покрытий увеличивает стоимость.

Стоимость производства и пропускная способность

3D-печать иерархических решеток по-прежнему медленна и часто требует опорных конструкций, которые необходимо удалить. Наноимпринтинг с креном на крен имеет высокую пропускную способность, но ограниченную глубину рисунка (обычно < 5 мкм). Для глубоких, высокоаспектных характеристик (необходимых для значительного конвективного улучшения) требуется многоступенчатый процесс. Компромисс между точностью и стоимостью является центральным экономическим барьером.

Интеграция с существующими системами

Щиты редко бывают автономными; они должны прикрепляться к другим компонентам, уплотнять от влаги и часто выполнять структурные роли. Биовдохновленные поверхности могут мешать адгезивному связыванию или вызывать концентрации напряжения, если не разработаны тщательно. Иерархические решетки могут быть окружены сплошной границей для точек крепления, уменьшая эффективную охлаждаемую область. Дизайнеры должны принять системный подход.

Будущие направления исследований

Поле стремительно движется по нескольким фронтам:

  • Машинное обучение-управляемая топология оптимизация: Вместо того, чтобы точно копировать биологию, исследователи используют нейронные сети для генерации поверхности и решетчатой геометрии, которые максимизируют конкретные тепловые показатели (например, число Нуссельта, теплопроводность на единицу массы).
  • Многофункциональные гибриды: Комбинирование радиационного охлаждения с конвекционным усилением и скрытым хранением тепла в единой щитовой структуре. Например, пористое керамическое ядро, которое содержит PCM и имеет покрытие для лица жука, которое также служит в качестве радиационного охладителя. Такие тройные функциональные щиты находятся в ранней стадии концепции.
  • Самовосстанавливающиеся материалы:] Вдохновленные биологической кожей и костью, самоисцеляющиеся композиты, которые могут восстанавливать небольшие трещины от теплового стресса или воздействия, значительно продлевают жизнь щита. Микрокапсулы, содержащие целебный агент (например, цианоакрилат или герметик на основе силикона), могут быть встроены в пористую решетку. Тепло от трещины запускает капсулы для высвобождения агента.
  • Масштабируемые способы изготовления иерархических металлических/керамических структур: Такие методы, как литье подморозки (тамплированность льда) керамических суспензий, производят выровненные пористые структуры, напоминающие корни деревьев или костные трабекулы. В сочетании с инфильтрацией металла композит может достигать высокой проводимости и прочности. Процесс литья подмораживания является недорогим и может производить блоки толщиной до 30 см.

Наука Обзор биоиндуцированных термальных материалов]

Заключение

Использование био-вдохновленных структур для усиленного рассеивания тепла в щитах представляет собой сближение материаловедения, производственных инноваций и биомиметического дизайна. От чешуи, отбрасываемой тернистыми дьявольскими ящерицами, до легкой решетки стеклянной губки природа предоставляет богатый портфель решений, которые уже адаптируются для транспортных средств для повторного входа, аккумуляторных батарей, лазерных щитов и электроники. Ключевые оставшиеся препятствия - долговечность, стоимость производства и системная интеграция - решаются благодаря достижениям в аддитивном производстве, обработке рулона и оптимизации машинного обучения. По мере того, как эти барьеры падают, био-вдохновленные тепловые щиты будут переходить от нишевых приложений к основному использованию, предлагая путь к более легкой, тонкой и более термически надежной защите в различных отраслях. Будущее теплового экранирования не просто спроектировано - оно развивается.