Adv. Funct. Mater. 3D打印元头盔，用于广角热伪装

【研究背景和进展】

  热伪装利用热通量的操纵来隐藏不同环境中的物体，使其不被热成像检测到。近十年来，热超材料领域和三维打印技术得到了迅速发展，使得非侵入式热流控制成为可能。然而，当热超材料应用于热伪装时，其导电性依赖于背景的性质，导致背景完整性的破坏。此外，以往的热伪装方案大多在二维环境下工作，很大程度上限制了其功能角度和复杂环境下的应用场景。

  近日，华中科技大学祝雪丰教授和新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授在著名期刊Adv. Func. Mater. 上发表了一篇题为“3D Printed Meta-Helmet for Wide-Angle Thermal Camouflages”的文章。论文第一作者为华中科技大学博士彭玉桂，新加坡国立大学博士后研究员李鹰，和华中科技大学博士生曹培超。研究者利用具有各向异性热导率的三维打印元头盔实现广角辐射热伪装。该元头盔基于三维坐标变换，直接将背景温度分布映射到元材料表面，不破坏背景完整性。数值模拟和实验结果表明，该无创装置对背景介质具有相同的发射率，能够对各种甚至未知的背景热场进行自我调节，是一种有效的广角热伪装装置。这项工作为基于三维变换热学的设备打开了一扇大门，使其在宏观物体和其他物体的热红外隐身中具有多用途的实际应用。
【图文简介】

图1 点源三维热伪装

a） 用红外相机观察背景板上的裸物体，其亮度表征了当地的温度；

b） 通过红外摄像机观察由设计的超材料伪装的相同物体；

c） 当我们在不同的倾斜角度拍摄裸物体的热像图时，红外相机的视界；

d） 当我们在不同的倾斜角度拍摄伪装物体的热像图时，红外相机的视界。所有的场分布都是由有限元模拟计算得到的。

图2 三维伪装设备设计的四步转换

a）虚拟空间。在背景介质中嵌入半径为R、厚度为D的超薄金属片；

b）空间扩张。在坐标变换的基础上，将平板的上表面映射到凸点的高斯型表面，凸点高度为H；

c）孔洞的产生高度。压缩变换进一步应用于在凹凸中创建一个可以隐藏对象的空隙；

d） 底部截断。通过取D→0，我们将底部切掉以保持背景的完整性。

图3

a）k’’_rr、b）k’’_rz、c）k’’_qq 和d）k’’_zz在半截面上的热导率分布。

图4 用于广角热伪装的三维元头盔

a） 一个设计的三维元头盔的示意图，插入显示了三维打印样本的特写视图；

b） 通过红外摄像机观察三维辐射伪装的示意图，倾斜角度为θ；

c） θ=0°时，位于背景介质中心的裸物体的模拟温度分布；

d） θ=0°时三维元头盔装置下遮挡物体的模拟温度分布；

e） 在（c）的情况下，在不同倾斜角度的x轴上导出的温度曲线；

f） 在（d）的情况下，在不同倾斜角度的x轴上导出的温度曲线。

图5 广角热伪装实验演示

a） 位于背景金属板中心的裸物体的样本；

b） 三维元头盔覆盖的物体；

c-h）实验测量的物体温度场分布，无/有三维元头盔装置，可以在宽观察角度下热伪装物体。c、 在不同的测量角度下，在稳定的线性温度梯度背景中的裸物体的热像图；d、 f，h）三维元头盔在不同测量角度下伪装的物体的热像图。

【小结】

该工作实现了一个三维打印元头盔热辐射伪装在广角。利用相变热学理论和热超材料的有效介质方法设计了功能器件。通过数值模拟和实验观测，验证了广角伪装的效果，其结果是一致的。我们设计的元头盔具有各种先进的性能，如无损伤结构、与背景介质无关的组分材料、表面热像仪能及时对背景温度场进行自我调节等。考虑到静态情况，我们提出的装置可以工作在几乎任意/未知的背景温度场中，而由宿主材料制成的皮肤覆盖层只能工作在均匀的背景场中。基于三维变换热学的元器件的提出可能为许多重要领域打开了大门，如热红外隐身和其他非直观的热流调节。

文献链接：3D Printed Meta-Helmet for Wide-Angle Thermal Camouflages, 2020, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202002061.

新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授课题组是最早一批从事热超构材料研究的团队。团队取得了多项重要成果，包括：首个双层热隐身斗篷的实验实现；热幻象、热表面红外伪装等新型传热调控功能的设计实现；热学零折射率等新概念的提出；首次在传热中构造实现了反宇称-时间对称系统。相关工作多次发表在Science, Nature Materials, Physical Review Letters, Advanced Materials等顶尖期刊并获得广泛报道。

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).

华中科技大学祝雪丰教授课题组主要从事声子晶体、声超常材料以及声子调控研究。团队取得了多项重要成果，包括：(1) 探索物理系统中宇称时间对称性，建立了声波动系统和变换光学系统中宇称时间对称理论，并基于该理论设计并制备出满足宇称时间对称性超构材料，在实验上观测到宽频单向聚焦效应。(2) 构建了一系列声波单向传输模型，揭示了线性静态结构、时变动态结构和绝热演变结构中声能单向流动和拓扑传输等物理机制，设计并实现弗洛奎声学拓扑绝缘体、陈数声学拓扑绝缘体和声学类比受激绝热系统。(3) 基于人工结构实现特殊声场可控生成，实现了螺旋人工结构、软纤维/硬颗粒复合薄膜、损耗型多孔结构和平面栅结构在无衍射弯曲声束、涡旋声束、超精细三维声全息和远场超分辨声聚焦等方面的应用。已发表70余篇学术研究论文，含盖Science, Nature Mater./Nature Phys./Commun.，Phys. Rev. X/Lett.，Adv. Mater./Adv. Funct. Mater.，以及Science Bulletin等国内外高水平期刊，他引近千次，含7篇ESI高被引论文。

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).