[发明专利]一种热传导隐形方法、装置以及应用

说明书

本发明公开了一种热传导隐形方法、装置以及应用。在背景导热介质平面上引入交错排列的高热导率材料和低热导率材料组成的定向导热结构，定向导热结构内设有一个或者多个温度场隐形区域，温度场隐形区域用于放置待传导隐形的物体，定向导热结构通过对外界温度场的定向引导，使得热流平滑地绕过温度场隐形区域，温度场隐形区域内的温度场分布梯度为零，从而实现热传导隐形。可用于印刷电路板表面电子元件的保护、热太阳能电池表面热流的引导、人造皮肤表面元件热屏蔽。本发明比较容易实现，几何形状可以任意设计，不限于圆形结构。

技术领域

本发明属于新型热传导隐形技术，尤其涉及一种热传导隐形方法、装置以及应用。

背景技术

热传导隐形是随着热学超材料的发展提出的一种新型热学器件。当热在均匀的导热平面上传导时，温度场的分布也是均匀的。然而如果在导热平面上存在一些其他热导率不同的物体时，温度场的分布将不再均匀，此时外界观察者将通过温度场分布“感知”到在导热平面上存在其他物体。热传导隐形结构的作用就是在这些热导率不同于背景导热平面的物体周围加入特殊热导率分布的结构，使得温度场分布恢复均匀，导致外界观察者无法通过温度场分布“感知”到在导热平面上存在其他物体。热传导隐形可以同时实现以下两个功能：第一，被隐形的区域内部的温度梯度为零；第二，在被隐形区域中，无论放置任何热导率材料，外界的温度场都不会改变。

目前实验上实现的热传导隐形结构，主要是借助于双层或者多层热导率不同的材料包裹得到的柱状壳层结构【Han T, Bai X, Gao D, et al., Physical Review Letters112(5), 054302 (2014)】。这些结构存在以下的局限性：第一，这些热传导隐形的几何形状在导热平面内都是圆环状。然而在实际应用场合中，往往根据具体应用场合设计实现不同几何形状的热传导隐形结构。第二，对于双层的热导率材料组成的热传导隐形（基于直接求解热传导方程和边界条件的设计），热传导隐形结构所需要材料和该结构的几何参数有关。也就是说，当隐形结构的几何尺寸改变时，所要求的实现热隐形的材料也会相应改变，整个隐性结构的参数都将改变。第三，对应多层热导率材料组成的热传导隐形（基于变换热学），需要用到多种不同的热导率材料，以及复杂的渐变调控【Schittny R, Kadic M, GuenneauS, et al., Physical Review Letters 110(19)】。本发明将给出一种无论结构的几何尺寸如何，都只需要两种材料交错排列即可实现的、形状不是圆柱状并且可以设计的新型热传导隐形结构。

发明内容

为了解决现有热传导隐形结构所需的材料复杂或者材料热导率和器件几何尺寸有关，以及目前的热传导隐形结构都仅仅限于圆环形状等问题，本发明的目的是提供一种热传导隐形方法、装置以及应用。

一种热传导隐形方法，在背景导热介质平面上引入交错排列的高热导率材料和低热导率材料组成的定向导热结构，定向导热结构内设有一个或者多个温度场隐形区域，温度场隐形区域用于放置待传导隐形的物体，定向导热结构通过对外界温度场的定向引导，使得热流平滑地绕过温度场隐形区域，温度场隐形区域内的温度场分布梯度为零，从而实现热传导隐形。

所述的温度场隐形区域的几何形状可变，满足热流平滑地绕过。

所述的高热导率材料的热导率相对于背景导热介质平面的热导率越高，所述的低热导率材料的热导率相对于背景导热介质平面的热导率越低，热传导隐形效果越好。

所述的高热导率材料的热导率是背景导热板的10倍或者以上，所述的低热导率材料的热导率是背景导热板的10%或者以下。

一种根据所述的热传导隐形方法制备的热传导隐形装置，包括背景导热介质平面和交错排列的高热导率材料和低热导率材料组成的定向导热结构，定向导热结构内设有一个或者多个温度场隐形区域。

所述的热传导隐形装置的应用，用于印刷电路板表面电子元件的保护、热太阳能电池表面热流的引导、人造皮肤表面元件热屏蔽。