本發(fā)明涉及一種基于多層二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷的實現(xiàn)方法和裝置，可應(yīng)用于熱流控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2006年，文獻1：“j.b.pendryetal,science,2006(312):1780”首次提出利用異向介質(zhì)能夠操控光波的傳播方向，實現(xiàn)光學(xué)隱身衣概念，引起了人們的廣泛關(guān)注，成為光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。與此同時，作為光學(xué)隱身衣應(yīng)用的一個拓展領(lǐng)域，即通過人工結(jié)構(gòu)操控?zé)崃鞣较?，實現(xiàn)熱學(xué)隱身也快速成為熱力學(xué)領(lǐng)域的一個熱點問題。2013年，文獻2：“r.schittnyetal,phys.rev.lett.2013(110):195901”采用銅和聚二甲硅氧烷制作了二維圓形熱斗篷,實驗驗證了隱身效果。2013年，文獻3：“t.z.yangetal,j.phys.d:appl.phys.2013(46):305102”推導(dǎo)出具有共形任意橫截面形狀的熱斗篷變換媒質(zhì)熱導(dǎo)率表達式,并仿真分析了其熱傳導(dǎo)特性。2014年，文獻4：“f.c.maoetal,actaphys.sin.2014(63):014401”對任意橫截面柱形熱斗篷進行了研究和分析,導(dǎo)出了二維非共形任意形狀熱斗篷的熱導(dǎo)率表達式。但是，目前熱學(xué)隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，大多基于二維平面結(jié)構(gòu)模型仿真和實驗測試，三維熱學(xué)隱身斗篷則鮮有報道。

另外，目前的熱學(xué)隱身斗篷還不具備可調(diào)諧的功能(即熱隱身的開/關(guān)功能)，換句話說熱學(xué)隱身斗篷的結(jié)構(gòu)一旦確定以后其隱身性能將會一直存在是不能改變的，其主要原因是缺乏熱導(dǎo)率可以被主動實時調(diào)控的天然材料，這直接制約著熱學(xué)隱身技術(shù)的進一步發(fā)展。因此需要設(shè)計一種簡單實用的方法對熱學(xué)隱身斗篷的熱隱身功能進行調(diào)諧，他將對熱學(xué)隱身斗篷的實際應(yīng)用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。

二維拓撲材料具有結(jié)晶和非結(jié)晶兩種狀態(tài)，在外界光、熱、電、磁或者應(yīng)力的作用下，二維拓撲材料可以在結(jié)晶和非結(jié)晶兩種狀態(tài)間改變，而伴隨著二維拓撲材料的狀態(tài)改變，其熱導(dǎo)率系數(shù)也會發(fā)生可逆性改變。

本發(fā)明提供一種基于多層二維拓撲材料的可調(diào)控?zé)犭[身斗篷。該三維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷通過二維拓撲材料組成的表面覆蓋殼層實現(xiàn)。其中，表面覆蓋殼層為多個二維拓撲材料環(huán)層自下而上疊加構(gòu)成，通過控制不同環(huán)層中二維拓撲材料的晶化程度，可以使每層對應(yīng)不同的熱導(dǎo)率系數(shù)，獲得熱隱身所需的三維熱導(dǎo)率分布，進而使熱流繞過斗篷區(qū)域后，溫度場和等溫線恢復(fù)原來的分布，實現(xiàn)熱隱身功能。同時，通過循環(huán)控制每個環(huán)層中二維拓撲材料的晶化-反晶化過程，實現(xiàn)熱隱身斗篷的實時開/關(guān)性能，從而克服了熱隱身斗篷不能開關(guān)的缺點。本發(fā)明基于二維拓撲材料晶化-反晶化原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時間；在實現(xiàn)上，采用電、光控開關(guān)等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身斗篷的復(fù)雜度和成本，實際應(yīng)用潛力大。使用本發(fā)明技術(shù)，可以使熱學(xué)隱身斗篷在大多數(shù)時間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)(即不隱身)，使對方探測到一些無效熱學(xué)信息，而在需要的時候開啟熱隱身功能讓對方探測不到其熱學(xué)信號，有效隱藏各種重要信息，麻痹敵方，使我方行動具有突然性。該技術(shù)會使計算機芯片高效散熱，從而提高計算機性能；實現(xiàn)熱幻想，迷惑紅外檢測器；同時在航天器返回艙、衛(wèi)星等設(shè)備中具有巨大應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有熱學(xué)隱身斗篷大多基于二維平面結(jié)構(gòu)、和熱學(xué)隱身斗篷的熱隱身功能不具備可調(diào)諧性(即不能開/關(guān)熱隱身功能)的缺點，利用二維拓撲材料這一常見材料，提供一種實現(xiàn)可調(diào)控(可開/關(guān))三維熱學(xué)隱身斗篷的新技術(shù)，使得系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現(xiàn)成本低等優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于多層二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷，包括襯底層、絕熱間隔層、二維拓撲材料環(huán)層組成的表面覆蓋環(huán)層、附于二維拓撲材料環(huán)層內(nèi)壁的金屬薄層貼片、內(nèi)部支撐殼、控制單元和供能單元；表面覆蓋環(huán)層為多層二維拓撲材料環(huán)層自下而上疊加構(gòu)成，每層二維拓撲材料環(huán)層內(nèi)壁表面均貼有金屬薄層貼片，每層二維拓撲材料環(huán)層之間均有絕熱間隔層隔離；內(nèi)部支撐殼處于多層二維拓撲材料環(huán)層內(nèi)側(cè)，用于承載多層二維拓撲材料環(huán)層，被隱藏的目標(biāo)放置于內(nèi)部支撐殼的腔內(nèi)；內(nèi)部支撐殼與金屬薄層貼片接觸，同時內(nèi)部支撐殼對應(yīng)于每個金屬薄層貼片處都鉆有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1μm～10cm；小孔內(nèi)安裝導(dǎo)線，導(dǎo)線一端連接在金屬薄層貼片上，另一端依次經(jīng)過控制單元和供能單元接地，通過操控控制單元，調(diào)控供能單元對每層二維拓撲材料環(huán)層的加熱時間，進而控制不同二維拓撲材料環(huán)層中二維拓撲材料的晶化程度，使每層二維拓撲材料環(huán)層對應(yīng)不同的熱導(dǎo)率系數(shù)，實現(xiàn)熱隱身所需的三維熱導(dǎo)率分布，進而使熱流繞過斗篷區(qū)域后，溫度場和等溫線恢復(fù)原來的分布，實現(xiàn)熱隱身功能。

所述的二維拓撲材料環(huán)層的形狀為半球體、圓錐體、余弦體、正弦體、圓柱體、半橢圓體、正方體、矩形體或六邊體，二維拓撲材料環(huán)層獨立控制和工作；二維拓撲材料環(huán)層的材質(zhì)為bixsb1-x、hgte、bi2te3、bi2se3或sb2te3，其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

所述的金屬薄層貼片為al片、ag片、au片、cu片或ni片其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

所述的絕熱間隔層的材質(zhì)為硅酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、in2o3、sno2或ito，其寬度為1nm～10cm、厚度為1nm～10cm。

所述的內(nèi)部支撐殼的材質(zhì)為聚亞胺、塑料、bk7光學(xué)玻璃，sio2、si3n4或al2o3；所述的襯底層是bk7光學(xué)玻璃、sio2、si3n4或al2o3。

所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開關(guān)；所述的供能單元是電能、熱能、光能或核能；所述的多層二維拓撲材料結(jié)構(gòu)通過材料生長工藝實現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀、氣相外延生長、分子束外延技術(shù)。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明基于二維拓撲材料晶化-反晶化原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時間；在實現(xiàn)上，采用電、光控開關(guān)等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身斗篷的復(fù)雜度和成本，實際應(yīng)用潛力大。該技術(shù)會使計算機芯片高效散熱，從而提高計算機性能；實現(xiàn)熱幻想，迷惑紅外檢測器；同時在航天器返回艙、衛(wèi)星等設(shè)備中具有巨大應(yīng)用價值。

本發(fā)明提供一種基于多層二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷，可以通過外加電、熱、光或磁場對改變二維拓撲材料這一常見材料的熱導(dǎo)率分布，提供一種實現(xiàn)可調(diào)控(可開/關(guān))三維熱學(xué)隱身斗篷的新技術(shù)，使得系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現(xiàn)成本低等優(yōu)點。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷切面圖。

圖1(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷俯視圖。

圖2(a)為內(nèi)部支撐殼示意圖。

圖2(b)為n層二維拓撲材料環(huán)層表面覆蓋環(huán)層(n≥1)示意圖。

圖2(c)為可調(diào)控三維熱隱身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷在熱隱身功能開設(shè)狀態(tài)下的熱流分布情況。

圖3(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷在熱隱身功能關(guān)閉狀態(tài)下的熱流分布情況。

圖中：1襯底層；

2基于n層(n≥1)二維拓撲材料環(huán)層的可調(diào)控三維熱隱身斗篷；

3金屬薄層貼片；4絕熱間隔層；5內(nèi)部支撐殼；6熱隱身區(qū)域；7小孔；

8導(dǎo)線；9控制單元；10供能單元；11地線；12等溫線。

具體實施方式

為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。其中的材料生長技術(shù)包括：電子束蒸發(fā)，金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕,如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。

實施例1

首先，利用材料生長工藝在襯底1上形成內(nèi)部支撐殼5，如附圖2(a)所示；

然后，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設(shè)計好的二維拓撲材料環(huán)層在襯底1和內(nèi)部支撐殼5的外表面由下至上逐層疊加,實現(xiàn)n層二維拓撲材料表面覆蓋環(huán)層2，如附圖2(b)所示。其中，二維拓撲材料表面環(huán)層和內(nèi)部支撐殼的設(shè)計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。金屬薄層貼片3通過鍍膜工藝被加工在n層二維拓撲材料表面覆蓋環(huán)層2的內(nèi)環(huán)壁和內(nèi)部支撐殼5的外壁之間。

內(nèi)部支撐殼對應(yīng)于每個金屬薄層貼片3處，都鉆有小孔7。小孔內(nèi)安裝導(dǎo)線8，導(dǎo)線一端連接在金屬薄層貼片3上，另一端經(jīng)過控制單元9和供能單元10接地線11，通過操控控制單元9，可以調(diào)控供能單元10對每層二維拓撲材料的作用時間，進而控制不同環(huán)層中二維拓撲材料的晶化程度，可以使每層二維拓撲材料環(huán)層對應(yīng)不同的熱導(dǎo)率系數(shù)，實現(xiàn)熱隱身所需的三維熱導(dǎo)率分布，進而使熱流繞過斗篷區(qū)域后，溫度場恢復(fù)原來的分布，實現(xiàn)熱隱身功能。最終實現(xiàn)一種基于多層二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷,如附圖2(c)所示。

如圖3所示，當(dāng)一種基于多層二維拓撲材料的可調(diào)控三維熱隱身斗篷中的二維拓撲材料的發(fā)生狀態(tài)變化，其熱導(dǎo)率系數(shù)分布也會發(fā)生改變，進而實現(xiàn)熱流方向的調(diào)控，實現(xiàn)熱隱身功能的“開”即屏蔽外來的熱量使得內(nèi)部支撐殼5內(nèi)所隱藏物體不被外界所探測,即熱流通過該熱隱身斗篷后不改變其等溫線(如圖3(a)所示)和“關(guān)”即熱流通過該熱隱身斗篷后其等溫線發(fā)生改變，導(dǎo)致內(nèi)部支撐殼5內(nèi)所放物體可以被外界所探測(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。