基于相变材料的温度可调谐热电隐身斗篷及其设计方法

专利名称：基于相变材料的温度可调谐热电隐身斗篷及其设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110745957.9

专利申请（专利权）人：复旦大学
权利人地址：上海市杨浦区邯郸路220号

专利发明（设计）人：黄吉平,雷敏,王骏

专利摘要：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。

主权利要求：
1.一种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，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；具体步骤如下：由于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，在热电介质上施加温度差和电势差，产生电流和热流的耦合输运项，热电效应中热电场控制方程为：其中，J和JQ分别代表电流密度矢量和热流密度矢量，σ(T)、κ(T)和S(T)分别是与温度有关的电导率、热导率和塞贝克系数的二阶张量表达式，μ和T分别代表电化学势和温度，上标τ为转置符号；
对热电控制方程使用温度依赖变换理论，考虑温度依赖的材料参数，使用三种空间坐标变换，变换后的热导率、电导率和塞贝克系数公式为：其中，A代表三种空间坐标变换对应的雅克比矩阵，分别写为A1，A2，A3；公式(2)中的τdetA为雅克比变换矩阵的行列式，A为雅克比变换矩阵的转置；
如果变换前的塞贝克系数是各向同性的，其在变换前后保持不变，具体为：S′(T)＝S(T)＝γT，γ是常数；
变换前的热导率为：
n
κ(T)＝α+βT，α、β和n都是常数；
变换前的电导率为：
‑1 n‑1
σ(T)＝αT /L+βT /L；
根据经典的魏德曼‑弗兰兹定律，热导率和电导率之间满足关系：κ/σ＝LT，L是洛伦兹数；
下面对三种空间坐标变换分别进行阐述，先考虑二维情况；
第一种，是与温度无关的普通斗篷对应的空间坐标变换，从虚拟空间(r，θ)到物理空间(r′，θ′)的坐标变换公式为：其中，r1和r2分别是温度可调谐热电隐身斗篷的内径和外径；
第二种，是与温度有关的空间坐标变换，变换公式为：其中， η是尺度系数，TC是相变温度，rm是介于r1和r2之间的一个值，坐标变换在相变温度周围发生突变，当环境温度大于相变温度时： 当环境温度小于相变温度时：第三种，也是与温度有关的空间坐标变换，变换公式为：其中， 坐标变换也在相变界温度周围发生突变，突变的结果与公式(4)相反；当环境温度低于相变温度时： 当环境温度高于相变温度时：将这三种空间坐标变换转换成材料参数的变换，即得到温度可调谐热电隐身斗篷的参数；
空间坐标变换(3)对应的雅可比变换矩阵表达式为：空间坐标变换(4)对应的雅可比变换矩阵表达式为：空间坐标变换(5)对应的雅可比变换矩阵表达式为：将公式(6)、(7)、(8)代入公式(2)，即到温度可调谐热电隐身斗篷各特定区域的材料参数热导率、电导率和塞贝克系数；
对于三维情况，三维空间坐标变换的雅克比变换矩阵表达式为公式(9)：将公式(3)、(4)、(5)分别代入公式(9)，就得到三种空间坐标变换分别对应的雅可比变换矩阵，将三种雅克比变换矩阵分别代入公式(2)，就得到三维温度可调谐热电隐身斗篷中三个特定区域所需的材料参数热导率、电导率和塞贝克系数。
2.由权利要求1所述设计方法得到的温度可调谐的热电隐身斗篷。 说明书 : 基于相变材料的温度可调谐热电隐身斗篷及其设计方法技术领域[0001] 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[0002] 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[0003] 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。[0004] 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。[0005] 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。[0006] 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：[0007] 本发明提供的方法，可以直接由二维情况推广到三维情况。[0008] 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：[0009][0010] 其中，J和JQ分别代表电流密度矢量和热流密度矢量，σ(T)、κ(T)和S(T)分别是与温度有关的电导率、热导率和塞贝克系数的二阶张量表达式，μ和T分别代表电化学势和温度，上标τ为转置符号。[0011] 对热电控制方程使用温度依赖变换理论，考虑温度依赖的材料参数，使用三种空间坐标变换，变换后的热导率、电导率和塞贝克系数可以统一写为公式(2)[0012][0013] 其中，A代表三种空间坐标变换对应的雅克比矩阵，可以分别写为A1，A2，A3。公式τ(2)中的detA为雅克比变换矩阵的行列式，A为雅克比变换矩阵的转置。[0014] 如果变换前的塞贝克系数是各向同性的，其在变换前后保持不变，可以写为：[0015] S′(T)＝S(T)＝γT，γ是常数。[0016] 变换前的热导率可以写成：[0017] κ(T)＝α+βTn，α、β和n都是常数；[0018] 变换前的电导率可以写成：[0019] σ(T)＝αT‑1/L+βTn‑1/L；[0020] 根据经典的魏德曼‑弗兰兹定律(Wiedemann‑Franzlaw)，热导率和电导率之间满足关系：[0021] κ/σ＝LT，L是洛伦兹数。[0022] 下面对三种空间坐标变换分别进行阐述，考虑二维情况；[0023] 第一种，是与温度无关的普通斗篷对应的空间坐标变换，从虚拟空间(r，θ)到物理空间(r′，θ′)的坐标变化公式(3)：[0024][0025] 其中，r1和r2分别是温度可调谐热电隐身斗篷的内径和外径。[0026] 第二种，是与温度有关的空间坐标变换，可以写成公式(4)：[0027][0028] 其中， η是尺度系数，TC是相变温度，rm是介于r1和r2之间的一个值，坐标变换在相变温度周围发生突变，当环境温度大于相变温度时： 当环境温度小于相变温度时：[0029] 第三种，也是与温度有关的空间坐标变换，写成公式(5)：[0030][0031] 其中， 坐标变换也在相变界温度周围发生突变，突变的结果与公式(4)相反。当环境温度低于相变温度时： 当环境温度高于相变温度时：[0032] 将这三种空间坐标变换转换成材料参数的变换，就可以得到温度可调谐热电隐身斗篷的参数。空间坐标变换(3)对应的雅可比变换矩阵为公式(6)：[0033][0034] 空间坐标变换(4)对应的雅可比变换矩阵为公式(7)：[0035][0036] 空间坐标变换(5)对应的雅可比变换矩阵为公式(8)，[0037][0038] 将公式(6)、(7)、(8)代入公式(2)，就可得到温度可调谐热电隐身斗篷各特定区域的材料参数热导率、电导率和塞贝克系数。[0039] 温度可调谐热电隐身斗篷也可在三维情况下实现，三维空间坐标变换的雅克比变换矩阵表达式为公式(9)：[0040][0041] 将公式(3)、(4)、(5)分别代入公式(9)，就可得到三种空间坐标变换分别对应的雅可比变换矩阵，将三种雅克比变换矩阵分别代入公式(2)，就得到了三维温度可调谐热电隐身斗篷中三个特定区域所需的材料参数热导率、电导率和塞贝克系数。[0042] 本发明的优点：[0043] (1)本发明提出的方法具有安全实用性，可保护信息不被泄露。[0044] (2)本发明提出的方法具有创新性，为控制多场提供了新方向。[0045] (3)本发明提出的方法适用于二维情形和三维情形。[0046] 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。附图说明[0047] 图1是温度可调谐热电隐身斗篷的二维结构示意图。[0048] 图2是温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的二维模拟图。其中，(a)和(c)是普通热电斗篷的温度分布图和电势分布图。(b)和(d)是温度可调谐热电隐身斗篷的温度分布图和电势分布图。(a)和(b)中黑色的线代表等温线，(c)和(d)中灰色的线代表等电势线。[0049] 图3温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的温度–位置曲线。其中，(a)图对应右边界固定为300K，左边界的温度分别为400K、500K、600K的模拟数据，(b)图对应左边界固定为400K，左边界的温度分别为300K、200K、100K的模拟数据。[0050] 图4是温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的三维模拟图和温度–位置曲线。其中，(a)是温度可调谐热电隐身斗篷的温度分布图。(b)是普通热电隐身斗篷的温度分布图。所有模拟图中黑色的线代表等温线。(c)是(a)‑(b)模拟图中的水平中心线的温度‑位置数据。具体实施方式[0051] 下面结合具体实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。[0052] 温度可调谐热电隐身斗篷的二维示意图展示在图1中，其为内径和外径之间的环形区域。环形区域划分成三种区域，三种区域分别设置三种空间坐标变换对应的材料参数。具体地，整个结构分为5个区域:I区是温度可调谐的隐身区域，III区是背景区域，内外径对应的环形区域(II)、(Ⅳ)、(Ⅴ)即为温度可调谐热电隐身斗篷的变换区，其中II区对应于温度无关的空间变换区域，IV区和V区对应于温度有关的空间坐标变换区域。[0053] 为了展示理论的正确性，本专利利用商用有限元模拟软件COMSOLMultiphysics进行验证。其中，温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的二维模拟结果展示在图2中。所有模拟图的左边界的温度和电势为400K和10mV，右边界为300K和0mV(接地)，上下边界热2和电同时绝缘。模拟尺寸大小为8×8cm ,r1＝1cm,r2＝2cm，rm＝1.5cm。背景参数为n＝3，L‑1 ‑4 ‑1 ‑4 ‑5 ‑2＝1，α＝100Wm K ,β＝10Wm K ,γ＝3×10 VK 。普通热电斗篷的环形区域的参数按照公式(2)和(6)设计。温度可调谐热电隐身斗篷的环形区域的参数分三个板块进行设计，II区按照公式(2)和(6)设计，IV区按照公式(2)和(7)设计，V区按照公式(2)和(8)设计，其中η＝‑12.5K ，TC＝330K。观察模拟结果可以发现：温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的外部背景区域的电流分布和电势分布都没被扰动，在外部进行热探测和电探测都无法得知中间区域物体的信息，因此温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷都实现了热隐身和电隐身的功能。观察等温线可以发现，普通热电斗篷的中间区域没有等温线经过，可见在中心区域完全屏蔽了热流经过；温度可调谐热电隐身斗篷的中心区域有等温线经过，在中间区域靠左方低温冷源的等温线向右弯说明中心区域的温度较之普通斗篷会低一些。为了更直观地体现温度可调谐的效果，本专利做了多组不同边界温度下的温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的有限元模拟图，提取模拟图的水平中心线的温度数据作图，展示在图3，对于不同参数对应的温度可调谐斗篷皆用黑色的实线表示，对于不同参数对应的普通斗篷皆用黑色的虚线表示，双线代表相变温度。。通过图3可以看出：在温度可调谐热电隐身斗篷的相变温度设为330K时，环境温度高于相变温度时，温度可调谐热电隐身斗篷的中心区域的温度普遍比普通热电斗篷的中心区域的温度低，也就是更靠近相变温度；环境温度低于相变温度时，温度可调谐热电隐身斗篷的中心区域的温度普遍比热电普通斗篷的中心区域的温度高，也更靠近相变温度。可见温度可调谐热电隐身斗篷的中心区域的温度会尽量靠近这个器件预设的相变温度。[0054] 本发明也进行了三维温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的模拟，此时温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷均为一个三维壳层，其结果展示在了图4中。模拟图的3模拟尺寸大小为8×8×8cm ,r1＝1cm,r2＝2cm，rm＝1.5cm。背景参数为n＝3，L＝1，α＝‑1 ‑4 ‑1 ‑4 ‑5 ‑2100Wm K ，β＝10Wm K ,γ＝3×10 VK 。三维温度可调谐热电隐身斗篷的参数类比于二维的，将以r1为内径，r2为外径的壳层区域分成三部分，分别将公式(3)、(4)、(5)代入公式(9)，就可得到三种空间坐标变换分别对应的雅可比矩阵，将三种雅克比变换矩阵分别代入‑1公式(2)就得到三部分区域的参数设置，其中η＝2.5K ，TC＝330K。为了方便展示，本发明截取了正中间的一个截面来观察。三维温度可调谐热电隐身斗篷和普通热电斗篷的外部背景区域的温度分布和电势分布均没有被扰动，都实现了热隐身和电隐身的功能。通过图(c)可以发现，温度可调谐热电隐身斗篷的中心区域的温度会更接近相变温度TC，即周围温度高于TC时温度可调谐热电隐身斗篷的中心区域的温度比普通热电斗篷的中心区域的温度低。

专利地区：上海

专利申请日期：2021-07-01

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113656991B