CN107080306A - 一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷 - Google Patents

一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷。该可调控三维热隐身斗篷通过二氧化钒组成的表面覆盖壳层实现。其中，表面覆盖壳层为多个二氧化钒环层自下而上叠加构成，通过控制不同环层中二氧化钒的晶格结构，可以使每层对应不同的热导率系数，获得热隐身所需的三维热导率分布，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。同时，通过循环控制每个环层中二氧化钒的晶格结构变化，实现热隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了热隐身斗篷不能循环开关的缺点。

Description

一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷
技术领域
本发明涉及一种基于多层二氧化钒的可调控三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，目前热学隐身结构的设计，大多基于二维平面结构模型仿真和实验测试，三维热学隐身斗篷则鲜有报道。
另外，目前的热学隐身斗篷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。
二氧化钒是目前研究得最多、最为成熟的相变材料，已经广泛应用于高速存储器中。二氧化钒具有单斜结构的绝缘体态和四方结构的金属态两种状态，在外界光、热、电、磁或者应力的作用下，二氧化钒可以在绝缘体态和金属态两种状态间改变，而伴随着二氧化钒的状态(晶格结构)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二氧化钒的可调控热隐身斗篷。该三维可调控热隐身斗篷通过二氧化钒组成的表面覆盖壳层实现。其中，表面覆盖壳层为多个二氧化钒环层自下而上叠加构成，通过控制不同环层中二氧化钒的晶格结构，可以使每层对应不同的热导率系数，获得热隐身所需的三维热导率分布，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。同时，通过循环控制每个环层中二氧化钒的单斜结构的绝缘体态-四方结构的金属态的变化过程，实现热隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了热隐身斗篷不能开关的缺点。本发明基于二氧化钒晶格结构可控原理，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：克服现有热学隐身斗篷大多基于二维平面结构、和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，利用二氧化钒这一常见材料，提供一种实现可调控(可开/关)三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：
一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷，包括衬底层、绝热间隔层、二氧化钒环层组成的表面覆盖环层、附于二氧化钒环层内壁的金属薄层贴片、内部支撑壳、控制单元和供能单元；表面覆盖环层为多个二氧化钒环层自下而上叠加构成，每个二氧化钒环层内壁表面均贴有金属薄层贴片，每个二氧化钒环层之间均有绝热间隔层隔离；内部支撑壳处于多层二氧化钒环层内侧，用于承载多层二氧化钒环层，被隐藏的目标放置于内部支撑壳的腔内；内部支撑壳与金属薄层贴片接触，同时内部支撑壳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1μm～10cm；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，调控供能单元对每层二氧化钒环层的加热时间，进而控制不同二氧化钒环层中二氧化钒的晶化程度，可以使每层二氧化钒环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的三维热导率分布，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。
所述的二氧化钒环层的形状为半球体、圆锥体、余弦体、正弦体、圆柱体、半椭圆体、正方体、矩形体或六边体，每个二氧化钒环层独立控制和工作；二氧化钒环层的宽度为1μm～10cm、厚度为1nm～10cm。
所述的金属薄层贴片为Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。
所述的绝热间隔层的材质为硅酸钙、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1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。
所述的内部支撑壳是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3；所述的衬底层是BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
所述的控制单元是电控、光控、声控或磁控开关；所述的供能单元是电能、热能、光能、压强或核能。
所述的多层二氧化钒结构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：本发明基于二氧化钒晶格结构可变原理，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。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二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷，可以通过外加电、热、光或磁场对改变二氧化钒这一常见材料的热导率分布，提供一种实现可调控(可开/关)三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)二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷切面图。
图1(b)为本发明提供的一种基于N层(N≥1)二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷俯视图。
图2(a)为内部支撑壳示意图。
图2(b)为内部支撑壳N层(N≥1)二氧化钒环层示意图。
图2(c)为内部支撑壳可调控三维热隐身斗篷示意图。
图3(a)为本发明提供的一种基于N层(N≥1)二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷在热隐身功能开设状态下的热流分布情况。
图3(b)为本发明提供的一种基于N层(N≥1)二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷在热隐身功能关闭状态下的热流分布情况。
图中：1衬底层；
2基于N层(N≥1)二氧化钒环层的可调控三维热隐身斗篷；
3金属薄层贴片；4绝热间隔层；5内部支撑壳；6热隐身区域；7小孔；
8导线；9控制单元；10供能单元；11地线；12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，利用材料生长工艺在衬底1上形成内部支撑壳5，如附图2(a)所示；
然后，通过材料生长工艺和掩模工艺，将设计好的二氧化钒环层在衬底1和内部支撑壳5的外表面由下至上逐层叠加,实现N层二氧化钒表面覆盖环层2，如附图2(b)所示。其中，二氧化钒表面环层和内部支撑壳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3通过镀膜工艺被加工在N层二氧化钒表面覆盖环层2的内环壁和内部支撑壳5的外壁之间。
内部支撑壳对应于每个金属薄层贴片3处，都钻有小孔7。小孔内安装导线8，导线一端连接在金属薄层贴片3上，另一端经过控制单元9和供能单元10接地线11，通过操控控制单元9，可以调控供能单元10对每层对每层二氧化钒的加热时间，进而控制不同环层中二氧化钒的晶格变化，可以使每层二氧化钒环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的三维热导率分布，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。最终实现一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷，如附图2(c)所示。
如图3所示，当一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷中的二氧化钒的发生状态变化，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，实现热隐身功能的“开”即屏蔽外来的热量使得内部支撑壳5内所隐藏物体不被外界所探测,即热流通过该热隐身斗篷后不改变其等温线(如图3(a)所示)和“关”即热流通过该热隐身斗篷后其等温线发生改变，导致内部支撑壳5内所放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 (10)

1.一种基于多层二氧化钒的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，该可调控三维热隐身斗篷包括衬底层、绝热间隔层、二氧化钒环层组成的表面覆盖环层、附于二氧化钒环层内壁的金属薄层贴片、内部支撑壳、控制单元和供能单元；表面覆盖环层为多个二氧化钒环层自下而上叠加构成，每个二氧化钒环层内壁表面均贴有金属薄层贴片，每个二氧化钒环层之间均有绝热间隔层隔离；内部支撑壳处于多层二氧化钒环层内侧，用于承载多层二氧化钒环层，被隐藏的目标放置于内部支撑壳的腔内；内部支撑壳与金属薄层贴片接触，同时内部支撑壳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1μm～10cm；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，调控供能单元对每层二氧化钒环层的加热时间，进而控制不同二氧化钒环层中二氧化钒的晶化程度，可以使每层二氧化钒环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的三维热导率分布，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。
2.根据权利要求1所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的二氧化钒环层的形状为半球体、圆锥体、余弦体、正弦体、圆柱体、半椭圆体、正方体、矩形体或六边体，每个二氧化钒环层独立控制和工作；二氧化钒环层的宽度为1μm～10cm、厚度为1nm～10cm。
3.根据权利要求1或2所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的金属薄层贴片为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所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的绝热间隔层的材质为硅酸钙、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1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。
5.根据权利要求3所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的绝热间隔层的材质为硅酸钙、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1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。
6.根据权利要求1、2或5所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的内部支撑壳是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3；所述的衬底层是BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
7.根据权利要求3所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的内部支撑壳是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3；所述的衬底层是BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
8.根据权利要求4所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的内部支撑壳是聚亚胺、塑料、BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3；所述的衬底层是BK7光学玻璃、SiO2、Si3N4或Al2O3。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的控制单元是电控、光控、声控或磁控开关；所述的供能单元是电能、热能、光能、压强或核能。
10.根据权利要求1、2、5、7或8所述的可调控三维热隐身斗篷，其特征在于，所述的多层二氧化钒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。
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