CN107048517B

CN107048517B - 一种基于多层石蜡相变材料的可调控二维热隐身斗篷

Info

Publication number: CN107048517B
Application number: CN201710062104.9A
Authority: CN
Inventors: 曹暾
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: CN107048517A

Abstract

本发明提供了一种基于多层石蜡相变材料的可调控二维热隐身斗篷。该可调控二维热隐身斗篷是将石蜡复合相变材料环层以x‑y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，通过控制不同环层中石蜡复合相变材料的固‑液态程度，可以使每层对应不同的热导率系数，获得热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过斗篷区域后，温度场和等温线恢复原来的分布，实现热隐身功能，为处在热隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界热流干扰，同时不影响外界热流分布。同时，通过循环控制每个环层中石蜡复合相变材料的固‑液状态，实现热隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了二维热隐身斗篷不能循环开关的缺点。

Description

一种基于多层石蜡相变材料的可调控二维热隐身斗篷

技术领域

本发明涉及一种基于多层石蜡相变材料的可调控二维热隐身斗篷的实现方法和装置，可应用于热流控制领域。

背景技术

2006年，文献1：“J.B.Pendry et al,SCIENCE,2006(312):1780”首次提出利用异向介质能够操控光波的传播方向，实现光学隐身衣概念，引起了人们的广泛关注，成为光学领域的研究热点。与此同时，作为光学隐身衣应用的一个拓展领域，即通过人工结构操控热流方向，实现热学隐身也快速成为热力学领域的一个热点问题。2013年，文献2：“R.Schittny et al,Phys.Rev.Lett.2013(110):195901”采用铜和聚二甲硅氧烷制作了二维圆形热斗篷,实验验证了隐身效果。2013年，文献3：“T.Z.Yang et al,J.Phys.D:Appl.Phys.2013(46):305102”推导出具有共形任意横截面形状的热斗篷变换媒质热导率表达式,并仿真分析了其热传导特性。2014年，文献4：“F.C.Mao et al,ActaPhys.Sin.2014(63):014401”对任意横截面柱形热斗篷进行了研究和分析,导出了二维非共形任意形状热斗篷的热导率表达式。但是，目前二维热学隐身结构的设计，还不具备可调谐的功能(即热隐身的开/关功能)，换句话说热学隐身斗篷的结构一旦确定以后其隐身性能将会一直存在是不能改变的，其主要原因是缺乏热导率可以被主动实时调控的天然材料，这直接制约着热学隐身技术的进一步发展。因此需要设计一种简单实用的方法对热学隐身斗篷的热隐身功能进行调谐，他将对热学隐身斗篷的实际应用具有非常重要的意义，大大推进其实用化进程。

石蜡相变材料具有固-液两种状态，在外界光、热、电、磁或者应力的作用下，石蜡相变材料可以在固态和液态两种状态间改变，而伴随着石蜡相变材料的状态改变，其热导率系数也会发生可逆性改变。

本发明提供一种基于多层石蜡相变材料的二维可调控热隐身斗篷。该二维可调控热隐身斗篷是将石蜡相变材料环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，通过控制不同环层中石蜡相变材料的固-液态程度，可以使每层对应不同的热导率系数，获得热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过斗篷区域后，温度场和等温线恢复原来的分布，实现热隐身功能，为处在热隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界热流干扰，同时不影响外界热流分布。同时，通过循环控制每个环层中石蜡复合相变材料的固-液状态，实现热隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了二维热隐身斗篷不能开关的缺点。本发明基于石蜡复合相变材料固-液态可逆转换原理，可以有效节省能量，延长伪装时间；在实现上，采用电、光控开关等广泛使用的器件，显著降低了热隐身斗篷的复杂度和成本，实际应用潜力大。使用本发明技术，可以使热学隐身斗篷在大多数时间内处于关闭状态(即不隐身)，使对方探测到一些无效热学信息，而在需要的时候开启热隐身功能让对方探测不到其热学信号，有效隐藏各种重要信息，麻痹敌方，使我方行动具有突然性。该技术会使计算机芯片高效散热，从而提高计算机性能；实现热幻想，迷惑红外检测器；同时在航天器返回舱、卫星等设备中具有巨大应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有二维热学隐身斗篷的热隐身功能不具备可调谐性(即不能开/关热隐身功能)的缺点，利用石蜡复合相变材料这一常见材料，提供一种实现可调控(可开/关)二维热学隐身斗篷的新技术，使得系统具备结构简单、速度快、便于操作、能耗小、实时性强和实现成本低等优点。

本发明的技术方案：

一种基于多层石蜡相变材料的可调控二维热隐身斗篷，包括衬底层、绝热间隔环层、石蜡复合相变材料环层、附于石蜡复合相变材料环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；

该可调控二维热隐身斗篷是将石蜡复合相变材料环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，每个石蜡复合相变材料环层底部均贴有金属薄层贴片，每两个石蜡复合相变材料环层之间均有绝热间隔环层隔离；

衬底层处于二维多层石蜡复合相变材料环层下方，用于承载二维多层石蜡复合相变材料环层，被隐藏的目标放置于二维多层石蜡复合相变材料环层的中心位置；

衬底层与金属薄层贴片接触，同时衬底层对应于每个金属薄层贴片处都钻有小孔，小孔孔径为1μm～1cm、深度为1cm～100cm；小孔内安装导线，导线一端连接在金属薄层贴片上，另一端依次经过控制单元和供能单元接地，通过操控控制单元，可以调控供能单元对每层石蜡复合相变材料环层的加热时间，进而控制不同石蜡复合相变材料环层中石蜡复合相变材料的固-液态转换程度，可以使每层石蜡复合相变材料环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过二维斗篷区域后，温度场和等温线恢复原来分布，实现热隐身功能。

所述的石蜡复合相变材料环层的形状是圆环、椭圆环、正方环、矩形环或六边环，每一个石蜡复合相变材料环层可独立控制和工作；所述的石蜡复合相变材料环层的宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～1cm；所述的石蜡复合相变材料环层是在石蜡相变材料中添加多孔介质，如金属泡沫、金属蜂窝、石墨、金属粒子、碳纤维、纳米粒子、聚苯乙烯、在封装壁面上加肋片、胶囊封装、容器封装或将不同的石蜡相变材料进行组合等。

所述的金属薄层贴片是Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm.

所述的绝热间隔层是硅酸钙、多元醇/多异氰酸酯、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、In₂O₃、SnO₂或ITO，其宽度为1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。

所述的衬底层是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃，SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

所述的供能单元是电能、热能、光能或核能；所述的控制单元是电控、光控、声控或磁控开关。

所述的多层石蜡复合相变材料环层通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长和分子束外延方法。

本发明的有益效果：本发明基于控制不同环层中石蜡复合相变材料的固-液状态，可以有效节省能量，延长伪装时间；在实现上，采用电、光控开关等广泛使用的器件，显著降低了热隐身斗篷的复杂度和成本，实际应用潜力大。该技术会使计算机芯片高效散热，从而提高计算机性能；实现热幻想，迷惑红外检测器；同时在航天器返回舱、卫星等设备中具有巨大应用价值。

本发明提供一种基于多层石蜡复合相变材料的可调控二维热隐身斗篷，可以通过外加电、热、光或磁场对改变石蜡复合相变材料这一常见材料的热导率分布，提供一种实现可调控(可开/关)二维热学隐身斗篷的新技术，使得系统具备结构简单、速度快、便于操作、能耗小、实时性强和实现成本低等优点。

附图说明

图1(a)为本发明提供的一种基于N层(N≥1)石蜡复合相变材料的二维可调控热隐身斗篷切面图。

图1(b)为本发明提供的一种基于N层(N≥1)石蜡复合相变材料的二维可调控热隐身斗篷俯视图。

图2(a)为N层(N≥1)石蜡复合相变材料环层示意图。

图2(b)为二维可调控热隐身斗篷示意图。

图3(a)为本发明提供的一种为基于N层(N≥1)石蜡复合相变材料的二维可调控热隐身斗篷在热隐身功能开设状态下(即石蜡复合相变材料处于不同状态下的)的热流分布情况。

图3(b)为本发明提供的一种为基于N层(N≥1)石蜡复合相变材料的二维可调控热隐身斗篷在热隐身功能关闭状态下(即石蜡复合相变材料处于不同状态下的)的热流分布情况。

图中：1衬底层；2N层(N≥1)石蜡复合相变材料环层；

3石蜡复合相变材料环层；4绝热间隔环层；5小孔；6导线；7控制单元；8供能单元；9地线；10金属薄层贴片；11等温线。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。

实施例1

首先，通过材料生长工艺和掩模工艺，将设计好的二维石蜡复合相变材料环层制备在衬底1的上表面，即以x-y水平面中心为轴由内至外在x、y轴线方向逐层延拓形成，实现N层(N≥1)二维石蜡复合相变材料环层，如附图2(a)所示。

其中，二维石蜡复合相变材料环层的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。金属薄层贴片10通过镀膜工艺被加工在N层(N≥1)二维石蜡复合相变材料环层2的底部和衬底1的上部之间。

衬底对应于每个金属薄层贴片10处，都钻有小孔5。小孔内安装导线6，导线一端连接在金属薄层贴片10上，另一端经过控制单元7和供能单元8接地线9，通过操控控制单元7，可以调控供能单元8对每层石蜡复合相变材料环层的加热时间，进而控制不同环层中石蜡复合相变材料的固-液态程度，可以使每层石蜡复合相变材料环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过斗篷区域后，温度场和等温线恢复原来的分布，实现热隐身功能。

如图3所示，当一种基于多层石蜡复合相变材料的可调控二维热隐身斗篷中的石蜡复合相变材料发生状态变化，其热导率系数分布也会发生改变，进而实现热流方向的调控，包括开启热隐身功能：即为处在热隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界热流干扰，同时不影响外界热流分布，不被外界所探测，即热流通过该热隐身斗篷后不改变其热流线(如图3(a)所示)；关闭热隐身功能：即热流通过该热隐身斗篷后其热流线发生改变，导致热隐身斗篷中心处所放的物体可以被外界所探测(如图3(b)所示)。

以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims

1.一种基于多层石蜡相变材料的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，该可调控二维热隐身斗篷包括衬底层、绝热间隔环层、石蜡复合相变材料环层、附于石蜡复合相变材料环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；

2.根据权利要求1所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的石蜡复合相变材料环层的形状是圆环、椭圆环、矩形环或六边环，每一个石蜡复合相变材料环层独立控制和工作；所述的石蜡复合相变材料环层的宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～1cm；所述的石蜡复合相变材料环层是在石蜡相变材料中添加多孔介质。

3.根据权利要求1或2所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的金属薄层贴片是Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。

4.根据权利要求1或2所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的绝热间隔层是硅酸钙、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、In₂O₃、SnO₂或ITO，其宽度为1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。

5.根据权利要求3所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的绝热间隔层是硅酸钙、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、In₂O₃、SnO₂或ITO，其宽度为1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。

6.根据权利要求1、2或5所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层是塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

7.根据权利要求3所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层是塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

8.根据权利要求4所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的衬底层是塑料、BK7光学玻璃、SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的供能单元是电能、热能或光能；所述的控制单元是电控、光控、声控或磁控开关。

10.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的多层石蜡复合相变材料环层通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长或分子束外延方法。