热材料仿生工程

仿生学是一门既古老又年轻的科学，最早是1960年由美国斯蒂尔提出的。时至今日，仿生学更专业化、广泛化、智能化、科学化。研究方向大致分为结构仿生、功能仿生、材料仿生和控制仿生等，但最终的研究目的落脚于工程。
鉴于仿生工程的迅猛发展与应用，也为更好地促进国内仿生学的交叉创新发展，译者选取了由WILEY-VCH出版社发行的《热材料仿生工程》介绍给国内读者。全书分为10章，介绍了受生物启发的热材料的最新研究动态。书中第1、2、7章概括了热学的基本理论和热材料的工程历史，其余章节均从具体热学理论出发，介绍了材料的生成特色和实际应用，讨论了受生物系统启发的用于增强沸腾和蒸发的热材料、光热材料和微流体冷却系统的仿生工程等内容。
本书可作为从事仿生工程、热学、功能材料等不同专业研究人员的参考用书。

1 材料热学性能简介 001
1.1 宏观热传递 001
1.1.1 热参数标准化 002
1.1.2 热平衡与热不平衡 002
1.1.3 整体结构热传递 003
1.1.4 控制体积和界面 004
1.1.5 单相和多相介质中的传导 004
1.1.5.1　单相介质 005
1.1.5.2　多相复合介质 005
1.1.6 热容 006
1.1.7 相变 007
1.2 微/纳尺度热传递 007
1.2.1 微/纳尺度热载体 009
1.2.2 基于玻尔兹曼方程的纳米尺度热动力学理论 009
1.2.3 分子动力学计算 011
1.2.4 表面等离子体共振（SPR）光热效应 012
1.3 仿生热材料 012
1.3.1 仿生热传导材料 012
1.3.2 仿生储热材料 013
1.3.3 仿生热检测材料 014
1.3.4 仿生热能转换材料 014
1.4 前景与展望 015
致谢 015
参考文献 015

2 热材料工程史 018
2.1 引言 018
2.2 热材料的工程应用历史 019
2.2.1 热导率 019
2.2.2 高导热材料进展 021
2.3 仿生热材料工程应用 025
2.3.1 亲水与疏水表面 025
2.3.2 滴状凝结 026
2.3.3 热管 027
2.4 仿生多尺度毛细结构 028
2.5 超亲水/超疏水混合毛细结构 031
2.6 仿生集成设计的柔性热管 031
参考文献 033

3 仿生表面强化沸腾 036
3.1 引言 036
3.2 仿生表面沸腾 037
3.3 池沸腾表面强化 039
3.4 强化沸腾表面双亲和双传导性 043
3.5 强化池沸腾表面活性剂 046
3.6 流动沸腾 049
3.7 结论与展望 052
致谢 052
参考文献 052

4 仿生蒸发材料 057
4.1 引言 057
4.2 蒸发 058
4.2.1 整体加热和界面加热的蒸发理论模型 058
4.2.2 整体加热和界面加热示例 059
4.3 仿生蒸发材料概述 062
4.3.1 仿生界面蒸发速率 063
4.3.2 仿生皮肤蒸发冷却系统 067
4.3.3 仿生蒸发材料的应用 068
4.3.3.1　蒸馏 068
4.3.3.2　灭菌 069
4.3.3.3　脱盐 070
4.3.3.4　废水处理 072
4.3.3.5　电子设备冷却系统 073
4.4 总结与展望 074
致谢 074
参考文献 075

5 仿生光热材料工程 077
5.1 减反射和光热生物材料 077
5.1.1 乳突阵列型减反射生物材料 079
5.1.2 突起阵列型减反射生物材料 080
5.1.3 三角屋顶型减反射和光热材料 080
5.2 仿生光热材料 082
5.2.1 仿生光热材料合成方法 083
5.2.2 仿生金属-半导体光热材料 083
5.2.3 仿生碳基磁性金属等离子体功能性材料 092
参考文献 096

6 仿生微流控冷却 103
6.1 引言 103
6.2 生物热交换 104
6.3 可穿戴流体控制技术 106
6.3.1 液体冷却服 106
6.3.2 头部冷却装置 107
6.3.3 可穿戴微流体控制技术 108
6.4 基于射流控制的建筑外窗和外立面 110
6.4.1 流体层蓄热 111
6.4.2 强制对流热控制 112
6.4.3 一维稳态传热模型 113
6.4.4 自适应外窗的射流网络 115
6.5 大面积流体网络的制备方法 116
6.5.1 3D打印 116
6.5.2 射频焊接 117
6.5.3 计算机数控铣削 118
6.5.4 微成型 119
6.5.5 黏性指进 120
6.6 总结 122
参考文献 122

7 热发射率：基本要素、测量和生物学实例 128
7.1 术语 128
7.2 基本辐射定律 129
7.3 发射率的直接测量法 129
7.4 基尔霍夫定律 130
7.5 基尔霍夫定律测量法 131
7.6 衰减全反射法 132
7.7 测定半球发射率的方法 132
7.8 镜面反射和漫反射 134
7.9 样品形状对发射率的影响 135
7.10　飞机或卫星遥感 135
7.11　生物样品发射率测定示例 136
参考文献 138

8 仿生热检测 141
8.1　引言 141
8.2　热检测 142
8.2.1 侵入式热检测 142
8.2.1.1　温度计 142
8.2.1.2　热电偶 143
8.2.1.3　热敏电阻器 144
8.2.2 非侵入式热检测 144
8.2.2.1　基于电子或分子激发的非侵入式热检测 144
8.2.2.2　基于其他物理性质变化的非侵入式热检测 145
8.3 仿生热检测类型 145
8.3.1 直接使用生物材料进行的热检测 146
8.3.1.1　生物材料和热材料相结合 146
8.3.1.2　具有温度依赖性的光致发光（PL）传感器 147
8.3.1.3　生物分子热传感器 148
8.3.2 可能与生物系统热功能无关的生物结构启发的热检测 151
8.3.3 受生物系统热功能启发的热检测 151
8.3.3.1　热敏生物聚合物 151
8.3.3.2　受皮肤启发的热检测 153
8.3.4 仿生热检测技术的应用 155
8.4 展望 158
参考文献 158

9 仿生隔热储热材料概述 162
9.1 隔热材料概述 162
9.1.1 引言 162
9.1.2 隔热的基本原理 163
9.2 隔热材料的工程设计 165
9.2.1 传统的隔热材料 165
9.2.2 先进的隔热材料 166
9.2.3 隔热材料的应用 167
9.2.3.1　建筑物的隔热保温 167
9.2.3.2　航天器的隔热保温 168
9.2.3.3　机械系统的隔热保温 169
9.2.3.4　纺织行业的隔热保温 169
9.3 仿生隔热储热材料概述 169
9.3.1 生物的隔热保暖 169
9.3.1.1　脂肪 169
9.3.1.2　羽毛 170
9.3.1.3　毛发和皮毛 170
9.3.1.4　动物皮毛的传热过程 170
9.3.2 基于动物的仿生先进隔热材料 171
9.3.3 基于黑蝴蝶的仿生储热技术 174
9.4 总结与展望 175
致谢 176
参考文献 

10 仿生疏冰性 180
10.1 固着水滴的结冰 181
10.2 表面水滴的结冰 184
10.2.1　静止水滴的结冰 185
10.2.2　撞击表面的水滴结冰 188
参考文献 191