超材料的电磁波—热能转化研究

作     者：于坤 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵强

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超材料 热点 吸收率 能量转换 能量无线传输 

摘      要：设计了一种超材料吸波结构,实现电磁波-热能-电能转化,以及电能的无线传输。利用超材料谐振结构,在超材料表面形成局部热点,研究了超材料结构表面金属厚度对材料表面温度分布的影响,并提出一种热点的利用方案。(1)设计了一种由金属-介质-金属组成的超材料吸波结构,仿真得到在2.433GHz处的电磁波吸收率达到0.99,能量损耗分析表明电磁波能量主要由介质损耗消耗,转化为热能。进一步仿真分析该吸波结构在2.433GHz,入射功率为0.086W·cm-2的电磁波作用下的温度分布,结果表明温度最高达到54.8oC。最后通过实验证实,并结合热电模块,实现电磁-热能-电能转化,在入射电磁波功率为5W时获得8.7%左右的电能无线传输效率。该研究结果在无线温度控制和能量无线传输等领域有潜在应用。(2)研究了一种ELC结构和SRR结构,对其电磁特性和表面温度分布进行仿真,发现可以在样品表面形成局部热点。实验结果表明,入射的电磁波功率为6W时,通过SRR得到的热点温度高达180.7oC。通过超材料谐振结构的局域电场增强效应与超材料内的高损耗介质材料结合,可以有效的收集电磁波以转化为热能,形成热点,有望用于非线性以及能量收集等领域。(3)研究了SRR结构的铜薄膜厚度对表面温度分布以及热点温度的影响:随着铜薄膜厚度减小,SRR结构欧姆损耗渐渐增加,而介质损耗变化不大。在相同功率电磁波作用下,薄膜厚度减小,在SRR结构表面形成的热点温度越高,温度分布图上铜的轮廓越来越淡,当铜薄膜厚度为0.001mm时,热点温度高达167.0oC。结果表明:超材料表面金属膜的厚度,对表面温度分布影响较大。在制作不同热分布的结构时,不仅可以通过改变超材料微细结构,也可以通过改变金属膜的厚度来实现。(4)本文最后提出一种利用超材料SRR结构产生热点的利用方案:将热电材料Bi2Te3与SRR结构结合,利用热点形成的温差,通过Bi2Te3将电磁能通过热能转化成电能。仿真分析SRR/Bi2Te3复合结构谐振特性、表面电场、损耗以及表面温度分布。实验结果显示:当电磁波入射功率为7W时,Bi2Te3两端温差高达149.8oC。SRR/Bi2Te3复合结构在不同入射功率电场波作用下的C-V测试曲线显示,该复合结构的开路电压最高达27.0m V。