一種基於多層石蠟相變材料的可調控二維熱隱身鬥篷的製作方法

2023-09-14 06:43:50

本發明涉及一種基於多層石蠟相變材料的可調控二維熱隱身鬥篷的實現方法和裝置，可應用於熱流控制領域。

背景技術：

2006年，文獻1：「j.b.pendryetal,science,2006(312):1780」首次提出利用異向介質能夠操控光波的傳播方向，實現光學隱身衣概念，引起了人們的廣泛關注，成為光學領域的研究熱點。與此同時，作為光學隱身衣應用的一個拓展領域，即通過人工結構操控熱流方向，實現熱學隱身也快速成為熱力學領域的一個熱點問題。2013年，文獻2：「r.schittnyetal,phys.rev.lett.2013(110):195901」採用銅和聚二甲矽氧烷製作了二維圓形熱鬥篷,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」推導出具有共形任意橫截面形狀的熱鬥篷變換媒質熱導率表達式,並仿真分析了其熱傳導特性。2014年，文獻4：「f.c.maoetal,actaphys.sin.2014(63):014401」對任意橫截面柱形熱鬥篷進行了研究和分析,導出了二維非共形任意形狀熱鬥篷的熱導率表達式。但是，目前二維熱學隱身結構的設計，還不具備可調諧的功能(即熱隱身的開/關功能)，換句話說熱學隱身鬥篷的結構一旦確定以後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率可以被主動實時調控的天然材料，這直接制約著熱學隱身技術的進一步發展。因此需要設計一種簡單實用的方法對熱學隱身鬥篷的熱隱身功能進行調諧，他將對熱學隱身鬥篷的實際應用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。

石蠟相變材料具有固-液兩種狀態，在外界光、熱、電、磁或者應力的作用下，石蠟相變材料可以在固態和液態兩種狀態間改變，而伴隨著石蠟相變材料的狀態改變，其熱導率係數也會發生可逆性改變。

本發明提供一種基於多層石蠟相變材料的二維可調控熱隱身鬥篷。該二維可調控熱隱身鬥篷是將石蠟相變材料環層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，通過控制不同環層中石蠟相變材料的固-液態程度，可以使每層對應不同的熱導率係數，獲得熱隱身所需的二維熱導率分布，進而使熱流繞過鬥篷區域後，溫度場和等溫線恢復原來的分布，實現熱隱身功能，為處在熱隱身鬥篷中心的物體屏蔽掉外界熱流幹擾，同時不影響外界熱流分布。同時，通過循環控制每個環層中石蠟複合相變材料的固-液狀態，實現熱隱身鬥篷的實時開/關性能，從而克服了二維熱隱身鬥篷不能開關的缺點。本發明基於石蠟複合相變材料固-液態可逆轉換原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，採用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身鬥篷的複雜度和成本，實際應用潛力大。使用本發明技術，可以使熱學隱身鬥篷在大多數時間內處於關閉狀態(即不隱身)，使對方探測到一些無效熱學信息，而在需要的時候開啟熱隱身功能讓對方探測不到其熱學信號，有效隱藏各種重要信息，麻痺敵方，使我方行動具有突然性。該技術會使計算機晶片高效散熱，從而提高計算機性能；實現熱幻想，迷惑紅外檢測器；同時在太空飛行器返回艙、衛星等設備中具有巨大應用價值。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：克服現有二維熱學隱身鬥篷的熱隱身功能不具備可調諧性(即不能開/關熱隱身功能)的缺點，利用石蠟複合相變材料這一常見材料，提供一種實現可調控(可開/關)二維熱學隱身鬥篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便於操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

本發明的技術方案：

一種基於多層石蠟相變材料的可調控二維熱隱身鬥篷，包括襯底層、絕熱間隔環層、石蠟複合相變材料環層、附於石蠟複合相變材料環層底層的金屬薄層貼片、控制單元和供能單元；

該可調控二維熱隱身鬥篷是將石蠟複合相變材料環層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，每個石蠟複合相變材料環層底部均貼有金屬薄層貼片，每兩個石蠟複合相變材料環層之間均有絕熱間隔環層隔離；

襯底層處於二維多層石蠟複合相變材料環層下方，用於承載二維多層石蠟複合相變材料環層，被隱藏的目標放置於二維多層石蠟複合相變材料環層的中心位置；

襯底層與金屬薄層貼片接觸，同時襯底層對應於每個金屬薄層貼片處都鑽有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1cm～100cm；小孔內安裝導線，導線一端連接在金屬薄層貼片上，另一端依次經過控制單元和供能單元接地，通過操控控制單元，可以調控供能單元對每層石蠟複合相變材料環層的加熱時間，進而控制不同石蠟複合相變材料環層中石蠟複合相變材料的固-液態轉換程度，可以使每層石蠟複合相變材料環層對應不同的熱導率係數，實現熱隱身所需的二維熱導率分布，進而使熱流繞過二維鬥篷區域後，溫度場和等溫線恢復原來分布，實現熱隱身功能。

所述的石蠟複合相變材料環層的形狀是圓環、橢圓環、正方環、矩形環或六邊環，每一個石蠟複合相變材料環層可獨立控制和工作；所述的石蠟複合相變材料環層的寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～1cm；所述的石蠟複合相變材料環層是在石蠟相變材料中添加多孔介質，如金屬泡沫、金屬蜂窩、石墨、金屬粒子、碳纖維、納米粒子、聚苯乙烯、在封裝壁面上加肋片、膠囊封裝、容器封裝或將不同的石蠟相變材料進行組合等。

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

所述的絕熱間隔層是矽酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質聚氨酯泡沫塑料、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。

所述的襯底層是聚亞胺、塑料、bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3。

所述的供能單元是電能、熱能、光能或核能；所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開關。

所述的多層石蠟複合相變材料環層通過材料生長工藝實現，包括電子束蒸發、金屬有機化合物化學氣相沉澱、氣相外延生長和分子束外延方法。

本發明的有益效果：本發明基於控制不同環層中石蠟複合相變材料的固-液狀態，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，採用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身鬥篷的複雜度和成本，實際應用潛力大。該技術會使計算機晶片高效散熱，從而提高計算機性能；實現熱幻想，迷惑紅外檢測器；同時在太空飛行器返回艙、衛星等設備中具有巨大應用價值。

本發明提供一種基於多層石蠟複合相變材料的可調控二維熱隱身鬥篷，可以通過外加電、熱、光或磁場對改變石蠟複合相變材料這一常見材料的熱導率分布，提供一種實現可調控(可開/關)二維熱學隱身鬥篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便於操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

附圖說明

圖1(a)為本發明提供的一種基於n層(n≥1)石蠟複合相變材料的二維可調控熱隱身鬥篷切面圖。

圖1(b)為本發明提供的一種基於n層(n≥1)石蠟複合相變材料的二維可調控熱隱身鬥篷俯視圖。

圖2(a)為n層(n≥1)石蠟複合相變材料環層示意圖。

圖2(b)為二維可調控熱隱身鬥篷示意圖。

圖3(a)為本發明提供的一種為基於n層(n≥1)石蠟複合相變材料的二維可調控熱隱身鬥篷在熱隱身功能開設狀態下(即石蠟複合相變材料處於不同狀態下的)的熱流分布情況。

圖3(b)為本發明提供的一種為基於n層(n≥1)石蠟複合相變材料的二維可調控熱隱身鬥篷在熱隱身功能關閉狀態下(即石蠟複合相變材料處於不同狀態下的)的熱流分布情況。

圖中：1襯底層；2n層(n≥1)石蠟複合相變材料環層；

3石蠟複合相變材料環層；4絕熱間隔環層；5小孔；6導線；7控制單元；8供能單元；9地線；10金屬薄層貼片；11等溫線。

具體實施方式

為使得本發明的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。其中的材料生長技術包括：電子束蒸發，金屬有機化合物化學氣相沉澱，氣相外延生長，和分子束外延技術等常用技術。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。其中的刻蝕工藝包括溼法刻蝕和幹法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應離子束刻蝕等常用工藝。

實施例1

首先，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設計好的二維石蠟複合相變材料環層製備在襯底1的上表面，即以x-y水平面中心為軸由內至外在x、y軸線方向逐層延拓形成，實現n層(n≥1)二維石蠟複合相變材料環層，如附圖2(a)所示。

其中，二維石蠟複合相變材料環層的設計可以採用有限時域差分法、有限元法等算法。金屬薄層貼片10通過鍍膜工藝被加工在n層(n≥1)二維石蠟複合相變材料環層2的底部和襯底1的上部之間。

襯底對應於每個金屬薄層貼片10處，都鑽有小孔5。小孔內安裝導線6，導線一端連接在金屬薄層貼片10上，另一端經過控制單元7和供能單元8接地線9，通過操控控制單元7，可以調控供能單元8對每層石蠟複合相變材料環層的加熱時間，進而控制不同環層中石蠟複合相變材料的固-液態程度，可以使每層石蠟複合相變材料環層對應不同的熱導率係數，實現熱隱身所需的二維熱導率分布，進而使熱流繞過鬥篷區域後，溫度場和等溫線恢復原來的分布，實現熱隱身功能。

如圖3所示，當一種基於多層石蠟複合相變材料的可調控二維熱隱身鬥篷中的石蠟複合相變材料發生狀態變化，其熱導率係數分布也會發生改變，進而實現熱流方向的調控，包括開啟熱隱身功能：即為處在熱隱身鬥篷中心的物體屏蔽掉外界熱流幹擾，同時不影響外界熱流分布，不被外界所探測，即熱流通過該熱隱身鬥篷後不改變其熱流線(如圖3(a)所示)；關閉熱隱身功能：即熱流通過該熱隱身鬥篷後其熱流線發生改變，導致熱隱身鬥篷中心處所放的物體可以被外界所探測(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發明應用的技術原理和具體實例，依據本發明的構想所做的等效變換，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，均應在本發明的範圍內，特此說明。