[发明专利]一种热欺骗方法和热欺骗结构

说明书

本发明公开了一种热欺骗方法和热欺骗结构，在热源（物体）所在的实际物平面上方引入按照特定规则分布的高热导率材料和低热导率材料组成的定向导热结构，定向导热结构可以对实际物平面上热源产生的热流进行定向引导，从而在定向导热结构的出射面（即观测像平面）产生特殊的热幻象。和实际热源相比，热幻象的数量、位置、大小和形状等特征均可通过设计定向导热结构导热方向进行调控，进而可达到预先设计的热欺骗效果。

技术领域

本发明属于新型热欺骗技术，尤其涉及一种热欺骗方法和热欺骗结构。

背景技术

热欺骗（Thermal Camouflage）是随着热学超材料（Thermal metamaterials）和变换热学（Transformation Thermodynamics）的发展提出的一种新型热学幻象器件。当热流在各向同性的均匀导热材料平面上传导时，热流沿着各个方向的热扩散速率相同，达到热平衡后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，达到热平衡后的温度场分布将不再均匀，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。要实现热欺骗可以在热源（物体）所在的实际物平面上方加入热导率特殊分布的热欺骗结构，使得在热欺骗结构的出射面（即观测像平面）的温度场按照预先设计的方式重新分布，导致外界观察者通过温度场分布“感知”到的并非实际物平面上的原物体。热欺骗结构可实现以下功能：观测像平面的温度场分布对应的热幻象物体相对于实际物平面上的原物体在形状、大小、数量、位置上发生变化。

近几年，实验实现的热欺骗结构，主要是基于变换热学设计的特殊热导率分布结构，如文献Han T , Bai X , Thong J T L , et al. Full Control and Manipulationof Heat Signatures: Cloaking, Camouflage and Thermal Metamaterials [J].Advanced Materials, 2014, 26(11):1731-4.和文献Hu R , Zhou S , Li Y , et al.Illusion Thermotics [J]. Advanced Materials, 2018, 30(22):1707237.1-1707237.8。前一种方法是先利用热隐身结构将实际热源隐藏，再使用预先设计的“诱饵物体”来产生热幻象源，进而达到热欺骗的效果。后一种方法则不使用热隐身结构，直接产生热幻象源来实现热欺骗。然而，目前实现热欺骗结构的设计方法都非常复杂，首先需要借助于坐标变换和张量运算来设计各向异性的非均匀热导率分布，然后再通过设计热学超材料来实现上述热导率分布。除此之外，当热欺骗结构的功能、形状、尺寸发生改变后，基于变换热学设计的热欺骗结构所需材料参数也相应发生改变。

发明内容

为了解决现有热欺骗结构设计过程复杂、所需材料复杂、实现不同热欺骗效果所需材料参数不同的局限性，本发明提供一种设计简单、实现不同热欺骗效果都只需要同样两种自然界中存在的材料的新型热欺骗方法和结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种热欺骗方法，包括：

在热源所在的实际物平面上方，引入按照特定规则分布的高热导率材料和低热导率材料组成的定向导热结构；

通过定向导热结构对实际物平面上热源产生的热流进行定向引导，通过对引导方向的设计，在定向导热结构的观测像平面产生热源的数量、位置、大小和形状等特征发生变化的热幻象。

其中，定向导热结构的特定分布规则是将取向相同的杆状高热导率材料嵌入在低热导率材料背景中实现，所述定向导热结构对热流定向引导的方向与杆状高热导率材料阵列的取向方向相同。

其中，高热导率材料的热导率与所述低热导率材料的热导率相差越大，热欺骗效果越好。

其中，选择高热导率材料的热导率是低热导率材料的热导率的100倍及以上；其中，高热导率材料选为铜，热导率为400W/(m*K)；低热导率材料选为聚苯乙烯，热导率为0.03W/(m*K)。