随着高功率密度装备（如高能武器、高超声速飞行器等）的迅猛发展，传统热控系统已逼近物理极限。在此背景下，“热路由网”作为一种变革性技术构想应运而生，其核心在于将热量视为一种可编程资源，通过“智慧路由”与“精准管理”相结合的方式破解制约尖端装备发展的“热瓶颈”问题。在经典热传导理论中，热传递行为严格遵循傅里叶定律，即热流方向完全由温度梯度决定，呈现出高度的对称性与方向无关性。如何突破这种对称传热的固有模式，实现对热流的定向引导与灵活调控，进而构建具有“热路由”功能的非互易热传递系统，已成为当今热控技术领域面临的一项重大挑战。
图1 基于定向质量流的非互易热传递原理
针对这一关键问题，西安交通大学机械工程学院洪军教授、李宝童教授团队首创了基于异质材料协同热膨胀的“热p-n结”物理模型，通过构建定向质量场成功实现了宏观热二极管。该研究建立了热学系统中“定向质量场”与电学中“内置电场”的理论对应关系，揭示了正/负热膨胀材料协同作用下产生的净质量流对系统热导率分布的调控机制，从而打破热传递的空间反演对称性。基于此理论突破，团队受曼陀罗花螺旋生长启发，设计了具有四重旋转对称性的仿生手性超材料单元，将等效热膨胀系数提升至基体材料的7.7倍，并通过引入“可变域边界”，在303-393 K的宽温区内实现了理想热整流效应（整流比η=1）。基于该原理设计的热二极管展现出卓越的性能：在正向传热时，热流密度高达19232 W/m²，系统呈现高效导通状态；而在反向传热时，热流被抑制至接近零值，表现出近乎完美的阻断特性。该研究不仅解决了宏观尺度非互易热传递的实现难题，更为热逻辑器件、智能热防护装甲和热隐身技术等前沿应用提供了新的设计范式与解决方案。
图2 热二极管的数值验证和实验演示
近日，相关研究成果以“Thermal p-n junctions: a macroscopic thermal diode based on heterogeneous materials”为题发表在国际权威期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal，IF：13.2）。论文的第一作者为西安交通大学机械工程学院张跃博士生，通讯作者为李宝童教授、洪军教授。该项工作得到了国家自然科学基金（批准号52175249）等项目的资助，谨此感谢。
论文信息：
YueZhang, BaotongLi*,PengfeiSun, YuHou, JunHong*, MengShi, LiangZeng, QingfangLiu. Thermal p-n junctions: a macroscopic thermal diode based on heterogeneous materials.Chemical Engineering Journal, 522, 167537 (2025).
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167537
