双层椭圆核壳结构的全方向热-电隐身斗篷及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双层椭圆核壳结构的全方向热

【技术实现步骤摘要】
双层椭圆核壳结构的全方向热
‑
电隐身斗篷及其设计方法


[0001]本专利技术属于超材料
，涉及一种双层椭圆核壳结构的全方向热
‑
电隐身斗篷及其设计方法。

技术介绍

[0002]超材料通过设计材料参数和结构特征来实现一些普通材料所不具备的特殊功能。针对材料设计，通常采用坐标变换和中性夹杂等方法来实现。即通过设计一些区域的材料参数来实现特殊的物理场控制功能。例如：隐身功能，聚集功能，伪装功能，探测功能等等。随着研究的进一步深入，针对多物理场控制功能的超材料逐渐引起了研究人员的兴趣，即通过一种超材料来同时控制多个物理场。这样可以整合不同物理场中相同控制功能的设备，从而提升该设备的利用效率，节约资源。
[0003]目前针对热电双场隐身斗篷的研究局限于各向同性的圆形结构，由于圆形结构是几何各向同性的，因此并没有考虑外部物理场的方向性。然而，根据实际的应用领域，隐身斗篷的几何形状却并不局限于圆形。当热电双场隐身斗篷的几何形状为各向异性时，如何实现全方向的热电隐身便成为了一个待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是设计一种基于各向异性的几何形状且能够同时适用于热场和电场的全方向隐身斗篷。不管热流和电流的方向如何变化，该斗篷都能够阻止外部任意方向的热流和电流进入隐身区域，使该区域的温度和电势梯度为零，从而在没有扰动外部温度场和电场分布的情况下，达到全方向隐身的目的。热电双场隐身斗篷在航空航天等相关
具有潜在的应用价值。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术提供一种基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热
‑
电隐身斗篷的设计方法，所述基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热
‑
电隐身斗篷能够实现全方向的热电隐身功能，其由内至外分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；第一区域是实现隐身的区域，其为各向异性椭圆形，第二区域和第三区域形成隐身斗篷，第二区域和第三区域呈现空心椭圆形，第一区域、第二区域和第三区域组合形成共焦椭圆双层核壳结构，第一区域、第二区域和第三区域内的介质采用各向同性的材料，同时第二区域的介质为热电绝缘材料，第四区域是实现全方向的热电隐身功能的背景基质，在不同热流和电流方向下，背景基质的热导率和电导率和共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效热导率和等效电导率一致，使得无论外部温度梯度和电势梯度的方向如何改变，第一区域中的物体都不受外部热流和电流的侵扰，第一区域中的温度和电势保持一个定值。
[0007]优选的，第一区域和第三区域的各向同性材料可以是：铜，铝合金，镁合金，不锈钢，钨等等。第二区域的材料可以是：聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0008]本专利技术中，第四区域的背景基质中的介质是由各向同性的不同基体材料和不同半
径的圆形夹杂物构成。
[0009]本专利技术中，背景基质中，基体材料和不同半径的圆形夹杂物均采用各向同性的材料。优选的，第四区域的基体材料同第一区域和第三区域的选择；第四区域的圆形夹杂物的材料可以是：空气，PDMS等。
[0010]本专利技术中，背景基质结构采用多层结构，其构建方法如下：
[0011]首先采用等效介质理论，将具有各向异性热导率和电导率的第四区域结构化为层状交替排列的多层结构，其中每一层的材料参数是各向同性且任意的；进一步针对每一层结构采用单粒子结构法，将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构，基体和圆形夹杂物的材料是工业生产中已有的各向同性材料。进一步优选的，多层结构中，将奇数层任意的热导率定义为κ1，电导率定义为σ1，偶数层任意的热导率定义为κ2，电导率定义为σ2，奇数层和偶数层层状结构的基体部分的热导率分别为κ
基体1
，κ
基体2
，电导率分别为σ
基体1
，σ
基体2
，奇数层和偶数层层状结构的圆形夹杂物部分的热导率分别为κ
圆夹1
，κ
圆夹2
，电导率分别为σ
圆夹1
，σ
圆夹2
，应满足：κ
基体1
(κ
圆夹1
)<κ1<κ
圆夹1
(κ
基体1
),σ
基体1
(σ
圆夹1
)<σ1<σ
圆夹1
(σ
基体1
),κ
基体2 (κ
圆夹2
)<κ2<κ
圆夹2
(κ
基体2
),σ
基体2
(σ
圆夹2
)<σ2<σ
圆夹2
(σ
基体2
)。
[0012]本专利技术中，第三区域的几何参数通过参数优化的方法获取，优化控制条件为：通过设计优化该区域的几何参数使得将来在温度场下所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数和在电场下所求解的第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数相等，即要求第四区域奇偶层圆形夹杂物几何参数同时适用于热电双场。
[0013]本专利技术还提供一种上述的设计方法得到的全方向热
‑
电隐身斗篷。
[0014]本专利技术首先基于中性夹杂的理论，在充分考虑了共焦椭圆双层核壳结构的几何各向异性后，理论求解出在不同热流和电流方向下的共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效热导率和等效电导率。为了满足热场和电场中的全方向隐身功能，背景基质的热导率和电导率需要和推导出的共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效材料参数保持一致，本专利技术采用不同基体材料和圆形夹杂物来构造各向异性的背景基质。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0015]本专利技术的热
‑
电隐身斗篷具有各向异性的几何形状，且同时适用于任何方向的温度场和电场。目前有关热电双场隐身功能的研究主要聚集在圆形核壳结构，此种结构具有各向同性的几何形状，因此无需考虑温度场和电场的方向。但是对于各向异性的几何形状，如果仍采用圆形结构的设计思想，便无法实现全方向的热电隐身功能，因此我们需要充分考虑装置的几何各向异性。在此基础上求出实现全方向隐身所需的材料参数。本专利技术能够实现基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热
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电隐身功能，即当热流和电流沿着任意的方向传递时，该具有各向异性几何形状的隐身斗篷都能实现热电隐身功能。同时本专利技术的热电隐身斗篷在实现隐身功能时，不会扰动背景环境的温度场和电场分布。本专利技术将热电隐身斗篷的几何形状从各向同性的圆形拓展到了各向异性的共焦椭圆，且实现了全方向的热电隐身功能。热电全方向隐身功能在航空航天及军用战斗机反侦察上具有潜在的应用价值。
附图说明
[0016]图1为各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热电隐身斗篷的几何区域分布
图；图中，共焦椭圆核的热导率为κ
c<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热
‑
电隐身斗篷的设计方法，其特征在于，所述基于各向异性共焦椭圆双层核壳结构的全方向热
‑
电隐身斗篷能够实现全方向的热电隐身功能，其由内至外分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；第一区域是实现隐身的区域，其为各向异性椭圆形，第二区域和第三区域形成隐身斗篷，第二区域和第三区域呈现空心椭圆形，第一区域、第二区域和第三区域组合形成共焦椭圆双层核壳结构，第一区域、第二区域和第三区域内的介质采用各向同性的材料，同时第二区域的介质为热电绝缘材料，第四区域是实现全方向的热电隐身功能的背景基质，在不同热流和电流方向下，背景基质的热导率和电导率和共焦椭圆双层核壳结构的各向异性等效热导率和等效电导率一致，使得无论外部温度梯度和电势梯度的方向如何改变，第一区域中的物体都不受外部热流和电流的侵扰，第一区域中的温度和电势保持一个定值。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，第四区域的背景基质中的介质是由各向同性的不同基体材料和不同半径的圆形夹杂物构成。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，背景基质中，基体材料和不同半径的圆形夹杂物均采用各向同性的材料。4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，背景基质结构采用多层结构，其构建方法如下：首先采用等效介质理论，将具有各向异性热导率和电导率的第四区域结构化为层状交替排列的多层结构，其中每一层的材料参数是各向同性且任意的；进一步针对每一层结构采用单粒子结构法，将其化为由基体和圆形夹杂物组成的新结构，基体和圆形夹杂物的材料是工业生产中已有的各向同性材料。5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，多层结构中，将奇数层任意的热导率定义为κ1，电导率定义为σ1，偶数层任意的热导率定义为κ2，电导率定义为σ2，奇数层和偶数层层状结构的基体部分的热...

【专利技术属性】
技术研发人员：丰火雷，倪玉山，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：