Adv. Funct. Mater. 3D打印元頭盔，用于廣角熱偽裝

【研究背景和進展】

? 熱偽裝利用熱通量的操縱來隱藏不同環境中的物體，使其不被熱成像檢測到。近十年來，熱超材料領域和三維打印技術得到了迅速發展，使得非侵入式熱流控制成為可能。然而，當熱超材料應用于熱偽裝時，其導電性依賴于背景的性質，導致背景完整性的破壞。此外，以往的熱偽裝方案大多在二維環境下工作，很大程度上限制了其功能角度和復雜環境下的應用場景。

? 近日，華中科技大學祝雪豐教授和新加坡國立大學Cheng-Wei Qiu教授在著名期刊Adv. Func. Mater. 上發表了一篇題為“3D Printed Meta-Helmet for Wide-Angle Thermal Camouflages”的文章。論文第一作者為華中科技大學博士彭玉桂，新加坡國立大學博士后研究員李鷹，和華中科技大學博士生曹培超。研究者利用具有各向異性熱導率的三維打印元頭盔實現廣角輻射熱偽裝。該元頭盔基于三維坐標變換，直接將背景溫度分布映射到元材料表面，不破壞背景完整性。數值模擬和實驗結果表明，該無創裝置對背景介質具有相同的發射率，能夠對各種甚至未知的背景熱場進行自我調節，是一種有效的廣角熱偽裝裝置。這項工作為基于三維變換熱學的設備打開了一扇大門，使其在宏觀物體和其他物體的熱紅外隱身中具有多用途的實際應用。
【圖文簡介】

圖1 點源三維熱偽裝

a） 用紅外相機觀察背景板上的裸物體，其亮度表征了當地的溫度；

b） 通過紅外攝像機觀察由設計的超材料偽裝的相同物體；

c） 當我們在不同的傾斜角度拍攝裸物體的熱像圖時，紅外相機的視界；

d） 當我們在不同的傾斜角度拍攝偽裝物體的熱像圖時，紅外相機的視界。所有的場分布都是由有限元模擬計算得到的。

圖2 三維偽裝設備設計的四步轉換

a）虛擬空間。在背景介質中嵌入半徑為R、厚度為D的超薄金屬片；

b）空間擴張。在坐標變換的基礎上，將平板的上表面映射到凸點的高斯型表面，凸點高度為H；

c）孔洞的產生高度。壓縮變換進一步應用于在凹凸中創建一個可以隱藏對象的空隙；

d） 底部截斷。通過取D→0，我們將底部切掉以保持背景的完整性。

圖3

a）k’’_rr、b）k’’_rz、c）k’’_qq 和d）k’’_zz在半截面上的熱導率分布。

圖4 用于廣角熱偽裝的三維元頭盔

a） 一個設計的三維元頭盔的示意圖，插入顯示了三維打印樣本的特寫視圖；

b） 通過紅外攝像機觀察三維輻射偽裝的示意圖，傾斜角度為θ；

c） θ=0°時，位于背景介質中心的裸物體的模擬溫度分布；

d） θ=0°時三維元頭盔裝置下遮擋物體的模擬溫度分布；

e） 在（c）的情況下，在不同傾斜角度的x軸上導出的溫度曲線；

f） 在（d）的情況下，在不同傾斜角度的x軸上導出的溫度曲線。

圖5 廣角熱偽裝實驗演示

a） 位于背景金屬板中心的裸物體的樣本；

b） 三維元頭盔覆蓋的物體；

c-h）實驗測量的物體溫度場分布，無/有三維元頭盔裝置，可以在寬觀察角度下熱偽裝物體。c、 在不同的測量角度下，在穩定的線性溫度梯度背景中的裸物體的熱像圖；d、 f，h）三維元頭盔在不同測量角度下偽裝的物體的熱像圖。

【小結】

該工作實現了一個三維打印元頭盔熱輻射偽裝在廣角。利用相變熱學理論和熱超材料的有效介質方法設計了功能器件。通過數值模擬和實驗觀測，驗證了廣角偽裝的效果，其結果是一致的。我們設計的元頭盔具有各種先進的性能，如無損傷結構、與背景介質無關的組分材料、表面熱像儀能及時對背景溫度場進行自我調節等。考慮到靜態情況，我們提出的裝置可以工作在幾乎任意/未知的背景溫度場中，而由宿主材料制成的皮膚覆蓋層只能工作在均勻的背景場中。基于三維變換熱學的元器件的提出可能為許多重要領域打開了大門，如熱紅外隱身和其他非直觀的熱流調節。

文獻鏈接：3D Printed Meta-Helmet for Wide-Angle Thermal Camouflages, 2020, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202002061.

新加坡國立大學Cheng-Wei Qiu教授課題組是最早一批從事熱超構材料研究的團隊。團隊取得了多項重要成果，包括：首個雙層熱隱身斗篷的實驗實現；熱幻象、熱表面紅外偽裝等新型傳熱調控功能的設計實現；熱學零折射率等新概念的提出；首次在傳熱中構造實現了反宇稱-時間對稱系統。相關工作多次發表在Science, Nature Materials, Physical Review Letters, Advanced Materials等頂尖期刊并獲得廣泛報道。

代表性研究成果：

1.Han, T. et al. Theoretical realization of an ultra-efficient thermal-energy harvesting cell made of natural materials. Energy Environ. Sci. 6, 3537–3541 (2013).

2.Han, T. et al. Experimental Demonstration of a Bilayer Thermal Cloak. Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014).

3.Han, T., Bai, X., Thong, J. T. L., Li, B. & Qiu, C.-W. Full Control and Manipulation of Heat Signatures: Cloaking, Camouflage and Thermal Metamaterials. Adv. Mater. 26, 1731–1734 (2014).

4.Yang, T. et al. Invisible Sensors: Simultaneous Sensing and Camouflaging in Multiphysical Fields. Adv. Mater. 27, 7752–7758 (2015).

5.Han, T. et al. Full-Parameter Omnidirectional Thermal Metadevices of Anisotropic Geometry. Adv. Mater. 30, 1804019 (2018).

6.Hu, R. et al. Illusion Thermotics. Adv. Mater. 30, 1707237 (2018).

7.Li, Y., Bai, X., Yang, T., Luo, H. & Qiu, C.-W. Structured thermal surface for radiative camouflage. Nat. Commun. 9, 273 (2018).

8.Hu, R. et al. Encrypted Thermal Printing with Regionalization Transformation. Adv. Mater. 31, 1807849 (2019).

9.Li, Y. et al. Anti–parity-time symmetry in diffusive systems. Science 364, 170–173 (2019).

10.Li, Y. et al. Thermal meta-device in analogue of zero-index photonics. Nat. Mater. 18, 48 (2019).

華中科技大學祝雪豐教授課題組主要從事聲子晶體、聲超常材料以及聲子調控研究。團隊取得了多項重要成果，包括：(1) 探索物理系統中宇稱時間對稱性，建立了聲波動系統和變換光學系統中宇稱時間對稱理論，并基于該理論設計并制備出滿足宇稱時間對稱性超構材料，在實驗上觀測到寬頻單向聚焦效應。(2) 構建了一系列聲波單向傳輸模型，揭示了線性靜態結構、時變動態結構和絕熱演變結構中聲能單向流動和拓撲傳輸等物理機制，設計并實現弗洛奎聲學拓撲絕緣體、陳數聲學拓撲絕緣體和聲學類比受激絕熱系統。(3) 基于人工結構實現特殊聲場可控生成，實現了螺旋人工結構、軟纖維/硬顆粒復合薄膜、損耗型多孔結構和平面柵結構在無衍射彎曲聲束、渦旋聲束、超精細三維聲全息和遠場超分辨聲聚焦等方面的應用。已發表70余篇學術研究論文，含蓋Science, Nature Mater./Nature Phys./Commun.，Phys. Rev. X/Lett.，Adv. Mater./Adv. Funct. Mater.，以及Science Bulletin等國內外高水平期刊，他引近千次，含7篇ESI高被引論文。

代表性研究成果：

1. Zhu, X. et al. Acoustic cloaking by a superlens with single-negative materials. Phys. Rev. Lett. 106, 014301 (2011).
2. Zhu, X. et al. PT-symmetric acoustics. Phys. Rev. X 4, 031042 (2014).
3. Zhu, X. et al. Implementation of dispersion-free slow acoustic wave propagation and phase engineering with helical-structured metamaterials. Nat. Commun. 7, 11731 (2016).
4. Peng, Y. et al. Experimental demonstration of anomalous Floquet topological insulator for sound. Nat. Commun. 7, 13368 (2016).
5. Tang, H. et al. Hollow-Out Patterning Ultrathin Acoustic Metasurfaces for Multifunctionalities Using Soft fiber/Rigid Bead Networks. Adv. Funct. Mater. 1801127 (2018).
6. Tuo, L. et al. Unidirectional wave vectors manipulation in two-dimensional space with an all passive acoustic parity-time-symmetric metamaterials crystal. Phys. Rev. Lett. 120, 124502 (2018).
7. Zhu, Y. et al. Fine manipulation of sound via lossy acoustic metamaterials with independently and arbitrarily distributed reflection amplitude and phase. Nat. Commun. 9, 1632 (2018).
8. Ding, Y. et al. Experimental Demonstration of Acoustic Chern Insulators. Phys. Rev. Lett. 122, 014302 (2019).
9. Shen, Y. et al. One-way localized adiabatic passage in an acoustic system. Phys. Rev. Lett. 122, 094501 (2019).
10. Shen, Y. et al. Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens. Nat. Commun. 10, 3411 (2019).