[发明专利]呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法

说明书

本发明属于热学变色技术领域，具体为一种呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法。本发明的各向异性单壳层结构，包括核及包覆在核外面的热学变色龙单壳层；该壳层的热导率为各向异性，且径向热导率和切向热导率为一正、一负；核壳结构的等效热导率与核的热导率一致，使各向异性单壳层呈现热学变色龙效果。本发明通过对壳层和核的热导率、面积分数进行精确计算和设计，实现核壳结构的等效热导率与变色龙壳层热导率无关，从而实现壳层在热导率不变的情况下与环境适应，不对背景中的温度分布产生影响。本发明可以作为一种多功能材料来满足对热导率的不同要求，并进一步用于发展智能热超构材料。

技术领域

本发明属于热学变色技术领域，具体涉及一种呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构及其实现方法。

背景技术

热学超构材料因其可被人为设计的特殊结构对热流管理领域产生了巨大的影响。最具代表性的例子是热隐身衣、热透明器件、热弯曲、热伪装/幻像、热双功能器件、热点石成金等等。然而，这些热学器件很少能够表现出智能的特性，这意味着他们不能主动的适应环境的变化。近年来的研究工作在智能化方面取得了一些进展，并在不同的扩散场中设计出了变色龙壳层。然而，这些都是近似的结果并且工作范围很小，只能适应一小部分环境的变化。

为了解决这一问题，本发明提出了一种可以精确实现热学变色龙壳层的方案。具体来说，我们所设计的热学变色龙壳层总是能够主动的展现出周围环境的热导率，从而可以表现为背景的温度分度不随热学变色龙壳层的存在而发生变化并且此壳层可以适应各种背景热导率。本发明所使用的方法主要是计算核-壳结构的有效导热系数，使其始终等于核(背景)的热导率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以精确实现热学变色龙效果的各向异性单壳层结构及其实现方法。

本发明提供的呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构，包括核及包覆在核外面的热学变色龙单壳层；该壳层的热导率为各向异性，且径向热导率和切向热导率为一正、一负；核壳结构的等效热导率与核的热导率一致，使各向异性单壳层呈现热学变色龙效果。该结构能够使背景的温度分布不随变色龙壳层的存在而发生变化，并且此壳层可以适应各种背景热导率。

本发明提供呈现热学变色龙现象的各向异性单壳层结构实现方法，包括：对壳层热导率进行精确计算并构建如图1所示的二维和三维模型；针对壳层在核壳结构中所占面积分数进行精确计算，以实现热学变色龙效果，即壳层的热导率不影响背景中温度分布。

本发明中，用到表观负热导率，需要采用额外添加热源的方法。即利用唯一性定理可以准确得到壳层内外的温度分布情况，再通过添加点热源或者线热源的方法实现表观负热导率。

本发明中，热学变色龙单壳层的二维结构可以直接拓展到三维结构。

本发明提供的方法，基于有效媒质理论，通过计算核-壳结构的有效导热系数，使其始终等于核(背景)的热导率；以此来确定类热变色龙壳层的热导率和面积分数等参数。其中，热传导过程由傅里叶热传导定律描述；具体推导如下：

设核的热导率和半径为κ_c和r_c，壳层的热导率和半径为κ_s和r_s；

κ_s＝diag(κ_rr,κ_θθ)

其中，κ_rr,κ_θθ分别为壳层的径向热导率和切向热导率。

根据傅里叶定律，核壳结构的等效热导率k_e表示为：

其中，表示壳的各向异性程度，p＝(r_c/r_s)²为核的面积分数，为了实现变色龙效果，各向异性壳层的等效热导率要和核的热导率一致，即：