[发明专利]基于相变材料的温度可调谐热电隐身斗篷及其设计方法

说明书

本发明属于新材料和红外技术领域，具体为一种基于相变材料的温度可调谐热电隐身斗篷及其设计方法。本发明是基于温度依赖坐标变换理论的，考虑温度相关的材料参数，将整个材料分成三个特定的区域，在每个特定区域进行不同的空间坐标变换，包括与温度有关的和与温度无关的；预设一个相变温度，与温度有关的空间坐标变换能够在该相变温度附近发生突变，然后将空间变化等价为材料的变换，这样就得到温度可调谐热电隐身斗篷的温度依赖的材料参数，从而得到温度可调谐热电隐身斗篷。通过有限元模拟验证本发明设计的可行性。本发明方法具有安全实用性，可保护信息不被泄露；本发明具有广泛的实际应用价值，比如可用于保护器件，欺骗热探测和电探测等。

技术领域

本属于新材料和红外技术领域，具体涉及温度可调谐热电隐身斗篷及其设计方法。

背景技术

随着科技的进步，人们在享受智能生活的同时，也越来越关注安全问题。尤其在工业上，安全是至关重要的，保护好机密信息是重中之重。温度信息总是容易被人知晓的，将一个物体放置在温度场中，温度场总是会被扰动，在外部进行热探测就可知道这个物体的信息，因此存在很大的安全隐患。为了解决这个问题，研究者们设计了热隐身斗篷，可以在指定区域屏蔽热流，因而可在指定区域放置物体不会对外部温度场进行扰动，任何放在其中的物体都不会被外部热探测所发现。但这个热隐身斗篷也存在一些问题，比如：达到稳态后，放在斗篷中央的物体的温度会随着外界温度的升高而升高，中央物体的温度总是热源温度和冷源温度的平均值。这是由于实际的隐身斗篷不可能完全屏蔽外部热环境的影响。然而，任何器件都有一个能承受的最高温度，高于这个温度，器件就会被损坏，因此实际的热隐身斗篷能保护物体不会被外界发现，但会给物体本身带来被损坏的可能性。另一方面，热隐身斗篷只考虑了热场，但在实际使用场景中，热的产生往往会和其他物理场联系起来，最常见的就是热电效应——在热电体系中，温度差可以转换为电压，反之亦然，热场和电场通过塞贝克系数来实现耦合。

发明内容

为了解决上述关于热斗篷的两个问题，本发明对现有的热隐身斗篷进行了拓展和改良，提出一种温度可调谐的热电隐身斗篷及其设计方法，设计的温度可调谐的热电隐身斗篷不仅能让指定区域不会被外部热探测和电探测所发现，还能让指定区域的温度接近预设温度值。

本发明考虑内在物理参数与温度有关的耦合热电场，在热电场上分区域设置三种空间坐标变换，将坐标变换转换成材料参数的变换，使每个特定区域都有单独的变换后的物理参数；最后在特定区域设置具有相变性质的热电材料，来实现温度可调谐热电隐身斗篷的功能，即指定区域不会被外部热探测和电探测所发现，同时指定区域的温度接近预设的温度值。温度可调谐热电隐身斗篷与之前的普通斗篷相比，最大的优点是能够让被隐身区域的温度在任何环境温度下都能接近预设值，因此本发明的技术方案，能够有效地保护器件不被损坏以及保护信息不被泄露。

本发明提供的温度可调谐的热电隐身斗篷的设计方法，是基于温度依赖坐标变换理论的，它可以建立空间变化和材料变化的桥梁。考虑温度相关的材料参数，将整个材料分成三个特定的区域，在每个特定区域进行不同的空间坐标变换，包括与温度有关的和与温度无关的；预设一个相变温度，与温度有关的空间坐标变换能够在该相变温度附近发生突变，然后将空间变化等价为材料的变换，这样就可以得到温度可调谐热电隐身斗篷的温度依赖的材料参数，从而得到温度可调谐热电隐身斗篷。

具体地，本发明提供的设计方法，其中，热电效应中的热场和电场通过塞贝克系数来耦合，并考虑热导率、电导率、塞贝克系数是温度相关的。具体步骤如下：

本发明提供的方法，可以直接由二维情况推广到三维情况。

热电效应中的热流和电流通过塞贝克系数实现耦合，在热电介质上施加温度差和电势差会产生电流和热流的耦合输运项，因此热电效应中热电场控制方程可以写为：