OEE Focus 2017年，第4卷，第1期 除了通过热学超材料结构设计实现单一功能的热 频率在一个窄带区间的声子后，便可以设计对应的声 流控制，通过傅里叶变换对热学超材料斗篷的特殊设 子带隙晶体结构来实现对热流的调控。Maldovan的 计，还可以实现在热隐身和热收集器功能间的智能转 理论模拟中，通过SiGe合金和Ge纳米颗粒将40%的 化的。根据外界温度升高或降低，热学超材料斗篷会 热量限制在了100300GHz频率的带隙中，而通过对 自动在热隐身和热收集器的功能间转化，实现多种功 应声子品体结构的设计，实现了对23%的热流调控 能，如图10所示。 关于热学晶体的研究工作，目前主要集中在理论模拟 热流控制的另 一个重要方法是构造热学品体，与 阶段，还没有相关的实验报导。 控制声波类似，使用周期性结构的纳米颗粒合金构成 3.2热隐身 的热学品体也可以实现对执流的招制。执学品体的其 热隐身的概念是通过外部的热学超材料屏蔽器件 太值理是通讨操控热顿濑使得低顿声子推带大部分执 量，这些声子在界面处发生相干反射和透射 这样使 内部物体对外部温度场的干扰，其核心设计理念是将 要隐形区域(R)的热量压缩”到隐身斗篷区(R一R 可以通过调控声子的方法来控制热流.在热学品体中 高频声子由合金原子和直径约1nm的颗粒屏蔽，因此 间)。热隐身相关的概念和理论早已有工作研究，但相 关实验工作近几年刚刚兴起。2013年德国卡尔斯鲁尔 像带热量的低频声子比例大幅增加。为了格声子华中 T业大学的Negner小组率先报道了热隐身头篷的 在一个特定频率区间内 通过具有粗糙表面的膜将 实验工作，随后大量的相关研究报道，将热隐身斗篷 些极低频率的声子过滤。在获得了这些携带热量的、 推向多样化，知图11所示。 Heating Cooling Form 2 图10外界温度变化条件下斗蓬热隐身与热收集的相互转化 4050607080 图11热隐身+蓬站构和温度分布图（理论模拟和实验站果）四 54
OEE | Focus 2017 年，第 44 卷，第 1 期 54 除了通过热学超材料结构设计实现单一功能的热 流控制，通过傅里叶变换对热学超材料斗篷的特殊设 计，还可以实现在热隐身和热收集器功能间的智能转 化[25]。根据外界温度升高或降低，热学超材料斗篷会 自动在热隐身和热收集器的功能间转化，实现多种功 能，如图 10 所示。 热流控制的另一个重要方法是构造热学晶体，与 控制声波类似，使用周期性结构的纳米颗粒合金构成 的热学晶体也可以实现对热流的控制。热学晶体的基 本原理是通过操控热频谱使得低频声子携带大部分热 量，这些声子在界面处发生相干反射和透射，这样便 可以通过调控声子的方法来控制热流。在热学晶体中， 高频声子由合金原子和直径约 1 nm 的颗粒屏蔽，因此 携带热量的低频声子比例大幅增加。为了将声子集中 在一个特定频率区间内，通过具有粗糙表面的膜将一 些极低频率的声子过滤。在获得了这些携带热量的、 频率在一个窄带区间的声子后，便可以设计对应的声 子带隙晶体结构来实现对热流的调控。Maldovan[26]的 理论模拟中，通过 SiGe 合金和 Ge 纳米颗粒将 40%的 热量限制在了 100300 GHz 频率的带隙中，而通过对 应声子晶体结构的设计，实现了对 23%的热流调控。 关于热学晶体的研究工作，目前主要集中在理论模拟 阶段[27]，还没有相关的实验报导。 3.2 热隐身 热隐身的概念是通过外部的热学超材料屏蔽器件 内部物体对外部温度场的干扰，其核心设计理念是将 要隐形区域(R1)的热量“压缩”到隐身斗篷区(R1~R2 之 间)。热隐身相关的概念和理论早已有工作研究，但相 关实验工作近几年刚刚兴起。2013 年德国卡尔斯鲁尔 工业大学的 Wegner 小组[20]率先报道了热隐身斗篷的 实验工作，随后大量的相关研究报道，将热隐身斗篷 推向多样化，如图 11 所示。 图 10 外界温度变化条件下斗篷热隐身与热收集的相互转化[25]. (a) (b) Form 1 Form 2 Heating Cooling 图 11 热隐身斗篷结构和温度分布图(理论模拟和实验结果) [20]. t=120 s t=90 s t=60 s t=30 s (a) (b) 1 cm Cloak Reference 30 40 50 60 70 80 Temperature/℃ (c) Cloak Reference 2 cm 2 cm t=120 s t=90 s t=60 s t=30 s 30 40 50 60 70 80 Temperature/℃
D010.3969issn.1003-501X.2017.01.00 OEE Focus 32.1圆柱形斗篷向三维、复杂形状发展 层包裹隐形区域。M.Farhat等人基于散射抵消原理 在实际应用中，需要隐斯的目标往往是三维的复 设计出了一种热隐形披风，如图14所示。通过热学超 杂形状，对超材料隐形斗篷提出了更高要求 如果绝 表面结构的设计 抑制隐身区域的散射，实现隐身% 续沿用二维圆柱体结构斗篷的设计进行扩展，理论上 果。这一设计相比传统的热隐身斗篷，不需要利用复 目标还是会被探测到，因此，需要设计特殊的热学超 杂的各向异性的不均匀材质，实现起来较为简便。 材料结构。南洋理工大学的张伯乐小组在实验上 3.23热幻象骑身斗篷 现了三维球形的热隐身斗篷，其中斗篷厚度为10( 在热隐身斗篷的基础上，新加坡国立大学的李保 山m,而内部的空气泡直径达cm,比例高达2个数 文和仇成伟小组进一步实现了具有热幻象或热伪 量级，如图12所示。日前，也有很多其他复杂结构的 装功能的隐身斗篷，如图15所示。其核心思想就是把 理论模拟工作，例如八面体其至是不规则形状，如图 中心部分（蓝色小人）先隐形，再利用热流控制在边缘 13所示，但这些热学超结构要在实验上实现还面临 一个虚拟的幻象（两个并不存在的红色小人：当热 较大的困难o划， 需要高精度的微钠加工技术。 流穿过这个幻像斗蓬时的效果与通过两个实际红色小 3.22热隐身披风 人的效果相同。 相比于热隐身斗篷，热隐身披风指的是用一极薄 困12平面、多 (0) 180 图14极坐桥下的数射振幅分布和热隐身拔风的温 图13不规则结构热隐身斗篷的温度分布图（理论模拟32 和热流分布图网
DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.01.004 OEE | Focus 55 3.2.1 圆柱形斗篷向三维、复杂形状发展 在实际应用中，需要隐蔽的目标往往是三维的复 杂形状，对超材料隐形斗篷提出了更高要求。如果继 续沿用二维圆柱体结构斗篷的设计进行扩展，理论上 目标还是会被探测到，因此，需要设计特殊的热学超 材料结构。南洋理工大学的张伯乐小组[29]在实验上实 现了三维球形的热隐身斗篷，其中斗篷厚度为 100 μm，而内部的空气泡直径达 1 cm，比例高达 2 个数 量级，如图 12 所示。目前，也有很多其他复杂结构的 理论模拟工作，例如八面体甚至是不规则形状，如图 13 所示，但这些热学超结构要在实验上实现还面临着 较大的困难[30-32]，需要高精度的微纳加工技术。 3.2.2 热隐身披风 相比于热隐身斗篷，热隐身披风指的是用一极薄 层包裹隐形区域。M. Farhat 等人[33]基于散射抵消原理 设计出了一种热隐形披风，如图 14 所示。通过热学超 表面结构的设计，抑制隐身区域的散射，实现隐身效 果。这一设计相比传统的热隐身斗篷，不需要利用复 杂的各向异性的不均匀材质，实现起来较为简便。 3.2.3 热幻象隐身斗篷 在热隐身斗篷的基础上，新加坡国立大学的李保 文和仇成伟小组[34]进一步实现了具有热幻象或热伪 装功能的隐身斗篷，如图 15 所示。其核心思想就是把 中心部分(蓝色小人)先隐形，再利用热流控制在边缘 做一个虚拟的幻象(两个并不存在的红色小人)；当热 流穿过这个幻像斗篷时的效果与通过两个实际红色小 人的效果相同。 图 12 平面、多层、二维双层、三维双层结构热隐身斗篷和温度分布图[28]. (a) (b) To-based cloak Multilayered cloak 2D bilayer cloak 3D bilayer cloak 1 cm Hot Cold (c) (d) (e) (f) (g) (h) Material A Material B a b 1 cm 图 14 极坐标下的散射振幅分布和热隐身披风的温度 和热流分布图[33]. (c) (d) (a) (b) 90 120 210 150 240 300 330 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 |T/Tinc| 0 30 60 180 270 90 120 210 150 240 300 330 0 30 60 180 270 图 13 不规则结构热隐身斗篷的温度分布图(理论模拟) [32]. (c) (d) (e) (f) (g) (h) (a) (b) 0 1 (i)