本發(fā)明涉及一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調控三維熱隱身斗篷的實現方法和裝置，可應用于熱流控制領域。

背景技術：

2006年，文獻1：“j.b.pendryetal,science,2006(312):1780”首次提出利用異向介質能夠操控光波的傳播方向，實現光學隱身衣概念，引起了人們的廣泛關注，成為光學領域的研究熱點。與此同時，作為光學隱身衣應用的一個拓展領域，即通過人工結構操控熱流方向，實現熱學隱身也快速成為熱力學領域的一個熱點問題。2013年，文獻2：“r.schittnyetal,phys.rev.lett.2013(110):195901”采用銅和聚二甲硅氧烷制作了二維圓形熱斗篷,實驗驗證了隱身效果。2013年，文獻3：“t.z.yangetal,j.phys.d:appl.phys.2013(46):305102”推導出具有共形任意橫截面形狀的熱斗篷變換媒質熱導率表達式,并仿真分析了其熱傳導特性。2014年，文獻4：“f.c.maoetal,actaphys.sin.2014(63):014401”對任意橫截面柱形熱斗篷進行了研究和分析,導出了二維非共形任意形狀熱斗篷的熱導率表達式。但是，目前熱學隱身結構的設計，大多基于二維平面結構模型仿真和實驗測試，三維熱學隱身斗篷則鮮有報道。

另外，目前的熱學隱身斗篷還不具備可調諧的功能(即熱隱身的開/關功能)，換句話說熱學隱身斗篷的結構一旦確定以后其隱身性能將會一直存在是不能改變的，其主要原因是缺乏熱導率可以被主動實時調控的天然材料，這直接制約著熱學隱身技術的進一步發(fā)展。因此需要設計一種簡單實用的方法對熱學隱身斗篷的熱隱身功能進行調諧，他將對熱學隱身斗篷的實際應用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。

石墨烯材料是目前研究得最多、最為成熟的二維材料。在外界光、熱、電、磁或者應力的作用下，石墨烯材料的費米能級大小和位置可以被主動調諧，而伴隨著石墨烯材料的費米能級大小和位置的改變，其熱導率系數也會發(fā)生可逆性改變。

本發(fā)明提供一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調控熱隱身斗篷。該三維可調控熱隱身斗篷通過石墨烯組成的表面覆蓋殼層實現。其中，表面覆蓋殼層為多個石墨烯環(huán)層自下而上疊加構成，通過控制不同環(huán)層中石墨烯的費米能級分布，可以使每層對應不同的熱導率系數，獲得熱隱身所需的三維熱導率分布，進而使熱流繞過斗篷區(qū)域后，溫度場和等溫線恢復原來的分布，實現熱隱身功能。同時，通過循環(huán)控制每個石墨烯環(huán)層中的費米能級大小和位置，實現熱隱身斗篷的實時開/關性能，從而克服了熱隱身斗篷不能開關的缺點。本發(fā)明基于石墨烯環(huán)層的費米能級被循環(huán)主動調諧的原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時間；在實現上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。使用本發(fā)明技術，可以使熱學隱身斗篷在大多數時間內處于關閉狀態(tài)(即不隱身)，使對方探測到一些無效熱學信息，而在需要的時候開啟熱隱身功能讓對方探測不到其熱學信號，有效隱藏各種重要信息，麻痹敵方，使我方行動具有突然性。該技術會使計算機芯片高效散熱，從而提高計算機性能；實現熱幻想，迷惑紅外檢測器；同時在航天器返回艙、衛(wèi)星等設備中具有巨大應用價值。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：克服現有熱學隱身斗篷大多基于二維平面結構、和熱學隱身斗篷的熱隱身功能不具備可調諧性(即不能開/關熱隱身功能)的缺點，利用石墨烯這一常見材料，提供一種實現可調控(可開/關)三維熱學隱身斗篷的新技術，使得系統(tǒng)具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優(yōu)點。

本發(fā)明的技術方案：

一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調控三維熱隱身斗篷，包括襯底層、絕熱間隔層、石墨烯環(huán)層組成的表面覆蓋環(huán)層、內部支撐殼、控制單元和供能單元；表面覆蓋環(huán)層為多個石墨烯環(huán)層自下而上疊加構成，每兩個石墨烯環(huán)層之間均有絕熱間隔層隔離；內部支撐殼處于多層石墨烯環(huán)層內側，用于承載多層石墨烯環(huán)層，被隱藏的目標放置于內部支撐殼的腔內；內部支撐殼與石墨烯環(huán)層接觸，同時內部支撐殼對應于每個石墨烯環(huán)層處都鉆有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1μm～10cm；小孔內安裝導線，導線一端連接在石墨烯環(huán)層上，另一端依次經過控制單元和供能單元接地，通過操控控制單元，可以調控供能單元對每層石墨烯環(huán)層的激勵時間，進而控制不同石墨烯環(huán)層中石墨烯的費米能級分布，可以使每層石墨烯環(huán)層對應不同的熱導率系數，實現熱隱身所需的三維熱導率分布，進而使熱流繞過斗篷區(qū)域后，溫度場和等溫線恢復原來的分布，實現熱隱身功能。

所述的石墨烯環(huán)層的形狀是半球體、圓錐體、余弦體、正弦體、圓柱體、半橢圓體、正方體、矩形體或六邊體，每一個石墨烯環(huán)層可獨立控制和工作；所述的石墨烯環(huán)層是由m層碳原子層構成，其中1≤m≤1000，其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

所述的絕熱間隔層是硅酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、in2o3、sno2或ito，其寬度為1nm～10cm、厚度為1nm～10cm。

所述的內部支撐殼是聚亞胺、塑料、bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3；所述的襯底層是bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3。

所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開關；所述的供能單元是電能、熱能、光能或核能。

所述的多層石墨烯結構通過材料生長工藝實現，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長和分子束外延方法。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明基于石墨烯環(huán)層中費米能級可調控原理，可以有效節(jié)省能量，延長偽裝時間；在實現上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。該技術會使計算機芯片高效散熱，從而提高計算機性能；實現熱幻想，迷惑紅外檢測器；同時在航天器返回艙、衛(wèi)星等設備中具有巨大應用價值。

本發(fā)明提供一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調控三維熱隱身斗篷，可以通過外加電、熱、光或磁場對改變石墨烯環(huán)層這一常見材料的熱導率分布，提供一種實現可調控(可開/關)三維熱學隱身斗篷的新技術，使得系統(tǒng)具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優(yōu)點。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯的可調控三維熱隱身斗篷切面圖。

圖1(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯的可調控三維熱隱身斗篷俯視圖。

圖2(a)為內部支撐殼示意圖。

圖2(b)為n層石墨烯環(huán)層(n≥1)示意圖。

圖2(c)為可調控三維熱隱身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯的可調控三維熱隱身斗篷在熱隱身功能開設狀態(tài)下(即石墨烯處于不同費米能級分布)的熱流分布情況。

圖3(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯的可調控三維熱隱身斗篷在熱隱身功能關閉狀態(tài)下(即石墨烯處于不同費米能級分布)的熱流分布情況。

圖中：1襯底層；2n層石墨烯環(huán)層(n≥1)；3石墨烯環(huán)層表面覆蓋環(huán)層；

4間隔層；5內部支撐殼；6小孔；7導線；8控制單元；9供能單元；

10地線；11等溫線。

具體實施方式

為使得本發(fā)明的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。其中的材料生長技術包括：電子束蒸發(fā)，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術等常用技術。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應離子束刻蝕等常用工藝。

實施例1

首先，利用材料生長工藝在襯底1上形成內部支撐殼5，如附圖2(a)所示；

然后，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設計好的石墨烯環(huán)層在襯底1和內部支撐殼5的外表面由下至上逐層疊加，實現n層石墨烯表面環(huán)層結構2，如附圖2(b)所示。其中，石墨烯表面環(huán)層和內部支撐殼的設計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。

內部支撐殼對應于每個石墨烯環(huán)層處，都鉆有小孔6。小孔內安裝導線7，導線一端連接在石墨烯環(huán)層處，另一端經過控制單元8和供能單元9接地線10，通過操控控制單元8，可以調控供能單元9對每層石墨烯環(huán)層的激勵時間，進而控制不同環(huán)層中石墨烯的費米能級分布，可以使每層石墨烯環(huán)層對應不同的熱導率系數，實現熱隱身所需的三維熱導率分布，進而使熱流繞過斗篷區(qū)域后，溫度場和等溫線恢復原來的分布，實現熱隱身功能。最終實現一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調控三維熱隱身斗篷，如附圖2(c)所示。

如圖3所示，當一種基于多層石墨烯環(huán)層的可調控三維熱隱身斗篷中的石墨烯環(huán)層費米能級分布發(fā)生變化，其熱導率系數分布也會發(fā)生改變，進而實現熱流方向的調控，實現熱隱身功能的“開”即屏蔽外來的熱量使得內部支撐殼5內所隱藏物體不被外界所探測，即熱流通過該熱隱身斗篷后不改變其熱流線(如圖3(a)所示)和“關”即熱流通過該熱隱身斗篷后其熱流線發(fā)生改變，導致內部支撐殼5內所放物體可以被外界所探測(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發(fā)明應用的技術原理和具體實例，依據本發(fā)明的構想所做的等效變換，只要其所運用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的范圍內，特此說明。