一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷制造技术

本发明专利技术提供了一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷。该可调控二维热隐身斗篷是将二维拓扑材料环层以x‑y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，通过控制不同环层中二维拓扑材料的晶化程度，可以使每层对应不同的热导率系数，获得热隐身所需的二维热导率分布，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，为处在热隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界热流干扰，同时不影响外界热流分布。同时，通过循环控制每个环层中二维拓扑材料的晶化‑反晶化过程，实现热隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了二维热隐身斗篷不能循环开关的缺点。

A tunable two-dimensional thermal cloak based on multilayer two-dimensional topological material

The present invention provides a controllable two-dimensional thermal invisibility cloak based on multilayer two-dimensional topological material. The regulation of two-dimensional thermal cloak is two-dimensional topological ring material layer with a x y level center axis, in X, Y axis extension layer formed by the degree of crystallization of two-dimensional topological material control different ring layer, can make each layer corresponding to different thermal conductivity coefficient, obtained two-dimensional thermal conductivity stealth required rate distribution, and the heat flux around the Cape region, the temperature field and the isotherm to restore the original distribution, to achieve thermal stealth capabilities, as the center of the object in thermal cloak shield heat outside interference, while not affecting the external heat flux distribution. At the same time, the crystallization circulation control of each ring two-dimensional topological material layer anti crystallization process, realize thermal cloak real-time on / off performance, thereby overcoming the two-dimensional thermal cloak can not cycle switch faults.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷
本专利技术涉及一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷的实现方法和装置，可应用于热流控制领域。
技术介绍
2006年，文献1：“J.B.Pendryetal,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.Schittnyetal,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.Yangetal,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.Maoetal,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，目前二维热学隐身结构的设计，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。二维拓扑材料具有结晶和非结晶两种状态，在外界光、热、电、磁或者应力的作用下，二维拓扑材料可以在结晶和非结晶两种状态间改变，而伴随着二维拓扑材料的状态改变，其热导率系数也会发生可逆性改变。本专利技术提供一种基于多层二维拓扑材料的二维可调控热隐身斗篷。该二维可调控热隐身斗篷是将二维拓扑材料环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，通过控制不同环层中二维拓扑材料的晶化程度，可以使每层对应不同的热导率系数，获得热隐身所需的二维热导率分布，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，为处在热隐身斗篷中心的物体屏蔽掉外界热流干扰，同时不影响外界热流分布。同时，通过循环控制每个环层中二维拓扑材料的晶化-反晶化过程，实现热隐身斗篷的实时开/关性能，从而克服了二维热隐身斗篷不能开关的缺点。本专利技术基于二维拓扑材料晶化-反晶化原理，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。使用本专利技术技术，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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有二维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，利用二维拓扑材料这一常见材料，提供一种实现可调控(可开/关)二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。本专利技术的技术方案：一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷，包括衬底层、绝热间隔环层、二维拓扑材料环层、附于二维拓扑材料环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；该可调控二维热隐身斗篷将二维拓扑材料环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，每个二维拓扑材料环层底部均贴有金属薄层贴片，每层二维拓扑材料环层之间均有绝热间隔环层隔离；衬底层处于二维多层二维拓扑材料环层下方，用于承载二维多层二维拓扑材料环层，被隐藏的目标置于二维多层二维拓扑材料环层的中心位置；衬底层与金属薄层贴片接触，同时衬底层对应于每个金属薄层贴片处，都钻有小孔，小孔孔径在1μm～1cm、深度在1cm～100cm；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维拓扑材料环层的加热时间，进而控制不同二维拓扑材料环层中二维拓扑材料的晶化程度，使每层二维拓扑材料环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过可调控二维热隐身斗篷后，温度场和等温线恢复原来分布，实现热隐身功能。所述的二维拓扑材料环层的形状为圆环、椭圆环、正方环、矩形环或六边环，每层二维拓扑材料环层独立控制和工作；二维拓扑材料环层的材料是BixSb1-x、HgTe、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。所述的金属薄层贴片是Al片、Ag片、Au片、Cu片或Ni片；所述的金属薄层贴片的宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。所述的绝热间隔环层的材质是硅酸钙、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，其宽度为1nm～10cm、厚度为1nm～10cm。所述的衬底层是聚亚胺、塑料、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、光能或核能。所述的多层二维拓扑材料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。本专利技术的有益效果：本专利技术基于二维拓扑材料晶化-反晶化原理，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。本专利技术提供一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷，可以通过外加电、热、光或磁场对改变二维拓扑材料这一常见材料的热导率分布，提供一种实现可调控(可开/关)二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)为本专利技术提供的一种基于N层(N≥1)二维拓扑材料的二维可调控热隐身斗篷切面图。图1(b)为本专利技术提供的一种基于基于N层(N≥1)二维拓扑材料的二维可调控热隐身斗篷俯视图。图2(a)为N层(N≥1)二维拓扑材料环层的制作流程示意图。图2(b)为本专利技术提供的一种基于N层(N≥1)二维拓扑材料的二维可调控热隐身斗篷的制作流程示意图。图3(a)为本专利技术提供的一种基于N层(N≥1)二维拓扑材料的二维可调控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)为本专利技术提供的一种基于N层(N≥1)二维拓扑材料的二维可调控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；2N层(N≥1)二维拓扑材料环层；3二维拓扑材料环层；4绝热间隔环层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，该可调控二维热隐身斗篷包括衬底层、绝热间隔环层、二维拓扑材料环层、附于二维拓扑材料环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；该可调控二维热隐身斗篷将二维拓扑材料环层以x‑y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，每个二维拓扑材料环层底部均贴有金属薄层贴片，每层二维拓扑材料环层之间均有绝热间隔环层隔离；衬底层处于二维多层二维拓扑材料环层下方，用于承载二维多层二维拓扑材料环层，被隐藏的目标置于二维多层二维拓扑材料环层的中心位置；衬底层与金属薄层贴片接触，同时衬底层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1cm～100cm；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维拓扑材料环层的加热时间，进而控制不同二维拓扑材料环层中二维拓扑材料的晶化程度，使每层二维拓扑材料环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过可调控二维热隐身斗篷后，温度场和等温线恢复原来分布，实现热隐身功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于多层二维拓扑材料的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，该可调控二维热隐身斗篷包括衬底层、绝热间隔环层、二维拓扑材料环层、附于二维拓扑材料环层底层的金属薄层贴片、控制单元和供能单元；该可调控二维热隐身斗篷将二维拓扑材料环层以x-y水平面中心为轴，在x、y轴线方向逐层延拓形成，每个二维拓扑材料环层底部均贴有金属薄层贴片，每层二维拓扑材料环层之间均有绝热间隔环层隔离；衬底层处于二维多层二维拓扑材料环层下方，用于承载二维多层二维拓扑材料环层，被隐藏的目标置于二维多层二维拓扑材料环层的中心位置；衬底层与金属薄层贴片接触，同时衬底层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1cm～100cm；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维拓扑材料环层的加热时间，进而控制不同二维拓扑材料环层中二维拓扑材料的晶化程度，使每层二维拓扑材料环层对应不同的热导率系数，实现热隐身所需的二维热导率分布，进而使热流绕过可调控二维热隐身斗篷后，温度场和等温线恢复原来分布，实现热隐身功能。2.根据权利要求1所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的二维拓扑材料环层的形状为圆环、椭圆环、正方环、矩形环或六边环，每层二维拓扑材料环层独立控制和工作；二维拓扑材料环层的材料是BixSb1-x、HgTe、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3，其宽度为1μm～10cm、厚度为20nm～10cm。3.根据权利要求1或2所述的可调控二维热隐身斗篷，其特征在于，所述的金属薄层...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹暾，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21