阅读说明：本技术 呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法 (Anisotropic single-shell layer structure exhibiting thermal chameleon phenomenon and implementation method thereof ) 是由 黄吉平 杨帅 须留钧 于 2019-08-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于热学变色技术领域,具体为一种呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法。本发明的各向异性单壳层结构,包括核及包覆在核外面的热学变色龙单壳层；该壳层的热导率为各向异性,且径向热导率和切向热导率为一正、一负；核壳结构的等效热导率与核的热导率一致,使各向异性单壳层呈现热学变色龙效果。本发明通过对壳层和核的热导率、面积分数进行精确计算和设计,实现核壳结构的等效热导率与变色龙壳层热导率无关,从而实现壳层在热导率不变的情况下与环境适应,不对背景中的温度分布产生影响。本发明可以作为一种多功能材料来满足对热导率的不同要求,并进一步用于发展智能热超构材料。(The invention belongs to the technical field of thermal discoloration, and particularly relates to an anisotropic single-shell layer structure showing a thermal discoloration dragon phenomenon and an implementation method thereof. The anisotropic single-shell structure comprises a core and a thermal chameleon single-shell layer coated outside the core; the thermal conductivity of the shell layer is anisotropic, and the radial thermal conductivity and the tangential thermal conductivity are positive and negative; the equivalent thermal conductivity of the core-shell structure is consistent with that of the core, so that the anisotropic single shell layer shows a thermal chameleon effect. According to the invention, through accurate calculation and design of the thermal conductivity and the area fraction of the shell layer and the core, the equivalent thermal conductivity of the core-shell structure is independent of the thermal conductivity of the chameleon shell layer, so that the shell layer is adaptive to the environment under the condition of no change of the thermal conductivity, and the temperature distribution in the background is not influenced. The invention can be used as a multifunctional material to meet different requirements on thermal conductivity, and is further used for developing intelligent thermal metamaterial.)

呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法

技术领域

本发明属于热学变色技术领域，具体涉及一种呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法。

背景技术

热学超构材料因其可被人为设计的特殊结构对热流管理领域产生了巨大的影响。最具代表性的例子是热隐身衣、热透明器件、热弯曲、热伪装/幻像、热双功能器件、热点石成金等等。然而，这些热学器件很少能够表现出智能的特性，这意味着他们不能主动的适应环境的变化。近年来的研究工作在智能化方面取得了一些进展，并在不同的扩散场中设计出了变色龙壳层。然而，这些都是近似的结果并且工作范围很小，只能适应一小部分环境的变化。

为了解决这一问题，本发明提出了一种可以精确实现热学变色龙壳层的方案。具体来说，我们所设计的热学变色龙壳层总是能够主动的展现出周围环境的热导率，从而可以表现为背景的温度分度不随热学变色龙壳层的存在而发生变化并且此壳层可以适应各种背景热导率。本发明所使用的方法主要是计算核-壳结构的有效导热系数，使其始终等于核(背景)的热导率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以精确实现热学变色龙效果的各向异性单壳层结构及其实现方法。

本发明提供的呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构，包括核及包覆在核外面的热学变色龙单壳层；该壳层的热导率为各向异性，且径向热导率和切向热导率为一正、一负；核壳结构的等效热导率与核的热导率一致，使各向异性单壳层呈现热学变色龙效果。该结构能够使背景的温度分布不随变色龙壳层的存在而发生变化，并且此壳层可以适应各种背景热导率。

本发明提供呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构实现方法，包括：对壳层热导率进行精确计算并构建如图1所示的二维和三维模型；针对壳层在核壳结构中所占面积分数进行精确计算，以实现热学变色龙效果，即壳层的热导率不影响背景中温度分布。

本发明中，用到表观负热导率，需要采用额外添加热源的方法。即利用唯一性定理可以准确得到壳层内外的温度分布情况，再通过添加点热源或者线热源的方法实现表观负热导率。

本发明中，热学变色龙单壳层的二维结构可以直接拓展到三维结构。

本发明提供的方法，基于有效媒质理论，通过计算核-壳结构的有效导热系数，使其始终等于核(背景)的热导率；以此来确定类热变色龙壳层的热导率和面积分数等参数。其中，热传导过程由傅里叶热传导定律描述；具体推导如下：

设核的热导率和半径为κ_c和r_c，壳层的热导率和半径为κ_s和r_s；

κ_s＝diag(κ_rr,κ_θθ)

其中，κ_rr,κ_θθ分别为壳层的径向热导率和切向热导率。

根据傅里叶定律，核壳结构的等效热导率k_e表示为：

其中，表示壳的各向异性程度，p＝(r_c/r_s)²为核的面积分数，为了实现变色龙效果，各向异性壳层的等效热导率要和核的热导率一致，即：

k_s＝k_c (2)

基于方程(2)，那么核壳结构的等效热导率与核的热导率一致，即：

κ_e＝κ_c (3)

将方程(3)带入方程(1)，即得到使核壳结构的等效热导率与核的热导率一致时变色龙壳层要满足的特殊条件：

其中，N⁺(＝1,2,3,…)为任意正整数。

以上讨论均为二维计算结果，可以推广到三维。在三维情况下，壳层各向异性热导率可表示为：κ_rr,κ_θθ,分别为各向异性情况下各方向的热导率，简单起见，令此时，核壳结构的等效热导率为：

其中，p＝(r_c/r_s)³为核的体积分数，利用类似的方法，可以找出使核壳结构的等效热导率与核的热导率一致的条件：

其中，N⁺(＝1,2,3,…)为任意正整数。

本发明提供呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构实现方法，具体步骤可归纳如下：

(1)对各向异性单壳层结构沿水平方向施加温度场，温度场具有一定温度差(如温度差为50K)，以产生热传导过程，热传导过程由傅里叶定律描述；

(2)计算壳层的热导率；包括径向热导率和切向热导率：κ_rr,κ_θθ；

(3)对于二维结构，设计核半径r_c，壳层半径r_s，使其满足式(4)条件，即可得到呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层二维结构；对于三维结构，设计核半径r_c，壳层半径r_s，使其满足式(6)条件，即可得到呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层三维结构。

例如，将温度场沿水平方向施加在如图2(a1)或如图3(a1)所示的二维和三维结构上，以产生热传导过程，温度差为50K，热传导过程由傅里叶定律描述。根据以上推导，在二维结构中，为满足推导过程中方程(4)所示的条件，可设置核的半径为2cm，变色龙壳层的半径为3cm；而壳层的热导率为diag(10,-600.33)Wm^-1K^-1，即可得到呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层二维结构；在三维结构中，为满足推导过程中方程(6)所示的条件，可设置核的半径为2cm，变色龙壳层的半径为3cm。而壳层的热导率为diag(1,-30.2,-30.2)Wm^-1K^-1，即可得到呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层三维结构。这时无论外部环境如何改变，壳层均可隐藏在外部环境中。上述给出的参数并不是唯一可实现的参数，只要满足推导过程中给出的条件即可。

本发明的优点：

(1)本发明提出的方法是精确解；

(2)本发明单壳层结构简洁易制备；

(3)本发明提出的方法可适用的温度范围更广。

本发明可以作为一种多功能材料来满足对热导率的不同要求，并进一步用于发展智能热超构材料。

附图说明

图1为呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构图示。其中，(a)为二维结构示意图，(b)为三维结构示意图。

图2为二维变色龙壳层、普通壳层、背景材料在不同背景热导率下的温度分布图。其中，(a1,b1,c1)的背景热导率为0.1Wm^-1K^-1；(a2,b2,c2)的背景热导率为100Wm^-1K^-1。

图3为三维变色龙壳层、普通壳层、背景材料在不同背景热导率下的温度分布图。其中，(a1,b1,c1)的背景热导率为0.1Wm^-1K^-1；(a2,b2,c2)的背景热导率为100Wm^-1K^-1。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。本实施例体系温度差为50K，体系处于稳态。

图1中，(a),(b)分别是二维热学单层变色龙壳层结构示意图和三维热学单层变色龙壳层结构示意图。温度梯度从左向右。利用理论计算得到的两种情况下壳层的热导率和半径对器件进行合理设计并利用商业软件COMSOL进行有限元模拟。模拟结果见图2～图3。

图2中(a1-c1)分别是热学变色龙单壳层模拟图，热学单层普通壳层模拟图和纯背景对照模拟图。图中背景热导率和核的热导率均为0.1Wm^-1K^-1，体系大小均为10*10cm²。(a1)中壳的热导率参数为diag(10,-600.33)Wm^-1K^-1，半径为3cm。核半径为2cm。(b1)中普通壳层的热导率为5Wm^-1K^-1，其他参数与(a1)中相同。(c1)为纯背景分布图。利用(a1),(c1)可见引入变色龙单壳层后，背景的温度分布并无改变，证明了其可以主动调整其等效热导率来适应背景热导率即智能的效果。利用(a1),(b1)可见普通壳层会影响背景的温度分布，不能达到要求。

图2中(a2-c2)分别是热学变色龙单壳层模拟图，热学单层普通壳层模拟图和纯背景对照模拟图。图中背景热导率和核的热导率均为100Wm^-1K^-1，体系大小均为10*10cm²。其他参数与图2中(a1-c1)相同。类似的，利用(a2),(c2)可见引入变色龙单壳层后，背景的温度分布并无改变，证明了其可以主动调整其等效热导率来适应背景热导率即智能的效果。利用(a2),(b2)可见普通壳层会影响背景的温度分布，不能达到要求的效果。并且利用图2中(a1-c1)和(a2-c2)的对比可见单变色龙壳层可以适应所有的背景热导率变化范围，这里的背景热导率从0.1Wm^-1K^-1变化到100Wm^-1K^-1只是一个参考，无论背景热导率怎样改变壳层都是有效。

图3中(a1-c2)是与图2中(a1-c2)对应的三维结果模拟题图。图中(a1-c1)背景热导率和核的热导率均为0.1Wm^-1K^-1，体系大小均为10*10*10cm³。(a1)中壳的热导率参数为diag(1,-30.2,-30.2)Wm^-1K^-1，半径为3cm。核半径为2cm。(b1)中普通壳层的热导率为5Wm^{- 1}K^-1，其他参数与(a1)中相同。(c1)为纯背景分布图。(a2-c2)中背景热导率和核的热导率均为100Wm^-1K^-1，其他参数与图2中(a1-c1)相同。利用(a1),(c1)或(a2),(c2)可见引入变色龙单壳层后，背景的温度分布并无改变，证明了其可以主动调整其等效热导率来适应背景热导率即智能的效果。利用(a1),(b1)或(a2),(b2)可见普通壳层会影响背景的温度分布，不能达到要求的效果。并且利用3中(a1-c1)和(a2-c2)的对比可见单变色龙壳层可以适应所有的背景热导率变化范围。