[發明專利]一種熱欺騙方法和熱欺騙結構

有效

• 申請號: 202110411063.6
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113158457B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 孫非;陳漢川;劉一超;陳智輝;劉毅彪
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C60/00;G06F119/08
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 王軍

本發明公開了一種熱欺騙方法和熱欺騙結構，在熱源（物體）所在的實際物平面上方引入按照特定規則分布的高熱導率材料和低熱導率材料組成的定向導熱結構，定向導熱結構可以對實際物平面上熱源產生的熱流進行定向引導，從而在定向導熱結構的出射面（即觀測像平面）產生特殊的熱幻象。和實際熱源相比，熱幻象的數量、位置、大小和形狀等特征均可通過設計定向導熱結構導熱方向進行調控，進而可達到預先設計的熱欺騙效果。

技術領域

本發明屬于新型熱欺騙技術，尤其涉及一種熱欺騙方法和熱欺騙結構。

背景技術

熱欺騙（Thermal Camouflage）是隨著熱學超材料（Thermal metamaterials）和變換熱學（Transformation Thermodynamics）的發展提出的一種新型熱學幻象器件。當熱流在各向同性的均勻導熱材料平面上傳導時，熱流沿著各個方向的熱擴散速率相同，達到熱平衡后溫度場的分布也是均勻的。然而，如果在導熱平面上存在一些其他熱導率不同的物體時，達到熱平衡后的溫度場分布將不再均勻，此時外界觀察者將通過溫度場分布“感知”到在導熱平面上存在其他物體。要實現熱欺騙可以在熱源（物體）所在的實際物平面上方加入熱導率特殊分布的熱欺騙結構，使得在熱欺騙結構的出射面（即觀測像平面）的溫度場按照預先設計的方式重新分布，導致外界觀察者通過溫度場分布“感知”到的并非實際物平面上的原物體。熱欺騙結構可實現以下功能：觀測像平面的溫度場分布對應的熱幻象物體相對于實際物平面上的原物體在形狀、大小、數量、位置上發生變化。

近幾年，實驗實現的熱欺騙結構，主要是基于變換熱學設計的特殊熱導率分布結構，如文獻Han T , Bai X , Thong J T L , et al. Full Control and Manipulationof Heat Signatures: Cloaking, Camouflage and Thermal Metamaterials [J].Advanced Materials, 2014, 26(11):1731-4.和文獻Hu R , Zhou S , Li Y , et al.Illusion Thermotics [J]. Advanced Materials, 2018, 30(22):1707237.1-1707237.8。前一種方法是先利用熱隱身結構將實際熱源隱藏，再使用預先設計的“誘餌物體”來產生熱幻象源，進而達到熱欺騙的效果。后一種方法則不使用熱隱身結構，直接產生熱幻象源來實現熱欺騙。然而，目前實現熱欺騙結構的設計方法都非常復雜，首先需要借助于坐標變換和張量運算來設計各向異性的非均勻熱導率分布，然后再通過設計熱學超材料來實現上述熱導率分布。除此之外，當熱欺騙結構的功能、形狀、尺寸發生改變后，基于變換熱學設計的熱欺騙結構所需材料參數也相應發生改變。

發明內容

為了解決現有熱欺騙結構設計過程復雜、所需材料復雜、實現不同熱欺騙效果所需材料參數不同的局限性，本發明提供一種設計簡單、實現不同熱欺騙效果都只需要同樣兩種自然界中存在的材料的新型熱欺騙方法和結構。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種熱欺騙方法，包括：

在熱源所在的實際物平面上方，引入按照特定規則分布的高熱導率材料和低熱導率材料組成的定向導熱結構；

通過定向導熱結構對實際物平面上熱源產生的熱流進行定向引導，通過對引導方向的設計，在定向導熱結構的觀測像平面產生熱源的數量、位置、大小和形狀等特征發生變化的熱幻象。

其中，定向導熱結構的特定分布規則是將取向相同的桿狀高熱導率材料嵌入在低熱導率材料背景中實現，所述定向導熱結構對熱流定向引導的方向與桿狀高熱導率材料陣列的取向方向相同。

其中，高熱導率材料的熱導率與所述低熱導率材料的熱導率相差越大，熱欺騙效果越好。

其中，選擇高熱導率材料的熱導率是低熱導率材料的熱導率的100倍及以上；其中，高熱導率材料選為銅，熱導率為400W/(m*K)；低熱導率材料選為聚苯乙烯，熱導率為0.03W/(m*K)。