阅读说明：本技术 呈现热学变色龙现象的各向同性双壳层结构及其实现方法 (Isotropic double-shell structure presenting 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同性双壳层结构及其实现方法。本发明的各向同性双壳层结构包括核以及包覆在核外面的两个热学变色龙壳层；两个壳层的热导率互为相反数,并且内壳层在核-内壳层结构中所占面积分数与外壳层在核-双壳层结构中所占面积分数相等。当两个条件同时满足时,双壳层结构的热导率不会对核的热导率有影响。当整体结构两端存在温度梯度时,双壳层结构的存在不会影响核的温度分布,并且由于其是精确解,无论核材料如何变化都可以实现以上效果,即双壳层结构达到了热学变色龙的效果。本发明结构简单,亦不需要各向异性材料,对热伪装领域、热智能领域的发展都有指导意义。(The invention belongs to the technical field of thermal discoloration, and particularly relates to an isotropic double-shell structure presenting a thermal discoloration dragon phenomenon and an implementation method thereof. The isotropic double-shell structure comprises a core and two thermal color-changing dragon shell layers coated outside the core; the thermal conductivities of the two shell layers are opposite numbers, and the area fraction of the inner shell layer in the core-inner shell layer structure is equal to the area fraction of the outer shell layer in the core-double shell layer structure. When both conditions are satisfied simultaneously, the thermal conductivity of the double shell structure does not have an effect on the thermal conductivity of the core. When there is temperature gradient at the two ends of the whole structure, the temperature distribution of the core cannot be influenced by the existence of the double-shell structure, and because the double-shell structure is an accurate solution, the effect can be realized no matter how the core material changes, namely, the double-shell structure achieves the effect of thermal chameleon. The invention has simple structure, does not need anisotropic materials, and has guiding significance for the development of the thermal camouflage field and the thermal intelligent field.)

呈现热学变色龙现象的各向同性双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同性双壳层结构及其实现方法。

背景技术

热超构材料是根据其复杂的几何结构显示出新颖热特性的人工材料。热超构材料最早的例子是基于坐标变换理论设计的热隐身斗篷，它可以引导物体周围的热流绕过物体，就好像物体不存在一样。原则上，热超构材料可以有效控制热流，然而由于缺乏合适的理论，除了具有双功能或具有热响应性的材料外，几乎所有现有的热超构材料都不具备主动调控功能，这意味着相应器件无法以可控的方式感知和响应外部或内部的刺激变化。因此，在这项发明中，我们提出一种能够呈现热学变色龙现象的各向同性双壳层结构，类似于生物界中的变色龙，热学变色龙各向同性双壳层结构可以感知和响应一种类型的内部变化，即背景材料热导率的变化。无论背景材料热导率是各向同性还是各向异性，也无论背景材料热导率的变化范围，双壳层结构的等效热导率都可以与背景相等，从而隐藏在背景之中，不影响背景的温度分布。当然普通的双壳层结构并不能达到要求，要对双壳层的热导率和面积分数做相应设计。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以精确呈现热学变色龙现象的各向同性双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同性双壳层结构，包括核，以及包覆在核外面的两个热学变色龙壳层；其中，两个壳层的热导率互为相反数，并且内壳层在核-内壳层结构中所占面积分数与外壳层在核-双壳层结构中所占面积分数相等。

本发明中，对于热学变色龙双壳层结构，两个壳层的热导率要满足上述特定关系，同时内壳层在核-内壳层结构中所占面积分数与外壳层在核-双壳层结构中所占面积分数要满足上述特定关系，即实现热学变色龙效果，即无论背景如何变换，双壳层的都能很好的适应背景不影响其温度分布。

本发明提供呈现热学变色龙现象的各向同性双壳层结构实现方法，包括：对壳层热导率进行精确计算并构建如图1所示的二维模型；对壳层在核壳结构中所占面积分数进行精确计算，对双壳层结构的等效热导率的计算，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，热导率互为相反数这一条件需要利用到表观负热导率，可采用额外添加热源的方法来实现。具体来说，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。

本发明根据傅里叶热传导定律，可精确计算得出核-双壳层结构的等效热导率，当同时满足热导率条件和面积分数条件时，整体结构的等效热导率便与双壳层无关。具体推导如下：

对于各向同性双壳层结构，设核的热导率和半径为κ_c和r_c，内、外壳层的热导率为κ_s1、κ_s2，内、外壳层的半径为r_s1、r_s2；利用傅里叶定律，全部核壳结构的等效热导率κ_e表示为：

其中，p₁₂＝(r_s1/r_s2)²，κ₁₂为核和内壳层的整体等效热导率，其表达形式为：

其中，p_c＝(r_c/r_s1)²。

为了实现热学变色龙的效果，需要使双层核壳结构的等效热导率κ_e与核的热导率κ_c一致，即：

κ_e＝κ_c (3)

将方程(3)带入方程(1)，得双壳层需满足的特定条件：

(κ₁₂+κ_s2)²+(p_c-p₁₂)²＝0 (4)

即同时满足：κ₁₂+κ_s2＝0和p_c-p₁₂＝0，即可实现热学变色龙。

本发明提供呈现热学变色龙现象的各向同性双壳层结构实现方法，具体步骤归纳为：

(1)对各向同性双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)设计核的半径r_c，内壳层和外壳层半径r_s1、r_s2；以满足面积分数条件：p_c-p₁₂＝0；其中，p_c＝(r_c/r_s1)²，p₁₂＝(r_s1/r_s2)²；

(3)设置内壳层和外壳层的热导率：κ_s1、κ_s2，以满足热导率条件条件：κ₁₂+κ_s2＝0；其中，κ_c为核的热导率，p_c＝(r_c/r_s1)²。

例如，将温度场沿水平方向施加在如图3(a1)所示的结构上，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。为满足面积分数条件，设置核的半径为2cm，变色龙壳层的内壳层和外壳层半径分别为和3cm。为满足热导率条件，设置内壳层和外壳层的热导率分别为-10Wm^-1K^-1和10Wm^-1K^-1，即可得到呈现热学变色龙现象的各向同性双壳层结构，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方程(4)即可。

本发明中，当两个条件同时满足时，双壳层结构的热导率不会对核(背景)的热导率有影响。从现象上来说，当整体结构两端存在温度梯度时，双壳层结构的存在不会影响核(背景)的温度分布，并且由于其是一个精确解，无论核(背景)材料如何变化都可以满足以上效果，所以，双壳层结构达到了热学变色龙的效果。本发明结构简单，亦不需要各向异性材料，对热伪装领域、热智能领域的发展都有指导意义。

以上讨论均为二维计算结果，对于双壳层来说，三维计算结果表明满足双层核壳结构的等效热导率与核的热导率一致的特定条件中依赖核的热导率κ_c。这违背了只通过设计壳层来达到效果的初衷，所以二维的讨论不能被推广到三维。

本发明的优点：

(1)本发明提出的方法是精确解；

(2)本发明提出利用各向同性结构的解决方案，简单易得；

(3)本发明提出的方法可适用于各种背景环境。

附图说明

图1为结构示意图。

图2为与κ_c函数关系示意图。

图3为变色龙双壳层、普通双壳层、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4是变色龙双壳层(a)、普通双壳层(b)、背景材料(c)在背景热导率为diag(10,20)Wm^-1K^-1下的温度分布图。

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为热学变色龙双壳层结构示意图温度梯度从左向右。利用有限元模拟结果可验证理论计算结果，具体见图3—图4。

图2为与κ_c函数关系示意图。

图3中(a1-c1)分别是热学变色龙双壳层模拟图，热学双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，核的半径均为2cm，体系大小均为10*10cm²。(a1)内壳层和外壳层的热导率参数分别为-10Wm^-1K^-1和10Wm^-1K^-1，半径分别为和3cm。(b1)中普通壳层的热导率均为5Wm^-1K^-1，其他参数与(a1)中相同。(c1)为纯背景分布图。利用(a1),(b1),(c1)可证明：引入变色龙双壳层后，背景的温度分布并无改变，而引入普通双壳层结构会影响背景的温度分布，所以变色龙双壳层具有适应背景热导率的效果。

图3中(a2-c2)分别是热学变色龙双壳层模拟图，热学双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。其他参数与图3中(a1-c1)相同。类似的，利用(a2),(b2),(c2)可证明：引入变色龙双壳层后，背景的温度分布并无改变，而引入普通双壳层结构会影响背景的温度分布，所以变色龙双壳层具有适应背景热导率的效果。利用图3中(a1-c1)和(a2-c2)的对比可见变色龙双壳层可以适应所有的背景热导率变化范围。

图4中背景热导率和核的热导率均为diag(10,20)Wm^-1K^-1,其他参数与图3相同。说明变色龙双壳层不仅可以适应热导率各向同性的背景材料的变化，还可以适应热导率为各项异性的背景材料的变化。