一种仿生蜂窝结构的热隐身薄膜的制作方法

1.本发明属于伪装技术领域，涉及一种仿生蜂窝结构的热隐身薄膜。


背景技术：

2.伪装技术指的是对真实且重要的目标进行隐真示假，即将真目标隐蔽、融合在背景环境中，降低被发现和识别的概率，或使虚假目标具有真目标相同或相似的可探测性，实现欺骗的目的，提高真目标的生存概率。视觉伪装技术利用物体表面变色性能来实现伪装的功能。热伪装技术主要是通过改变物体的红外辐射强度来达到伪装的目的。根据stefan-boltzmann定律，物体发射出的红外辐射强度与物体发射率和物体绝对温度的四次幂成正比。因此，控制目标的发射率和表面温度是决定其红外辐射强度的两个关键因素。目标表面的低发射率通常伴随着周围热信号的高反射率，对于目标温度明显高于背景温度或动态目标的背景温度复杂多变时，控制发射率易被侦察设备发现目标，难以实现热伪装。相比之下，温度控制的方法可以大幅降低发热目标的表面温度，在较宽的温度范围内进行热伪装。目前控制目标表面温度的技术主要有电致变温技术、相变热控技术和液体热控技术。相变热控技术所采用的相变热控材料是以潜热形式储存和释放能量的材料，不具有快速高效的伪装能力。电致变温技术所采用的热电材料不能对目标表面进行有效散热，其可控温度范围限制了调节目标表面的红外辐射强度范围。由于液体热控技术的控温范围广，可应用于热红外隐身和示假的军事目标表面。哈佛大学设计了一种软体机器人，利用液体热控技术在微流道中注入不同温度和颜色的液体，使软体机器人表面的颜色在可见光和红外波段中同时改变。但是其内部的微流道阻力大，且微流道之间距离小且分布密集，可靠性较差，不适合应用在复杂多变的外界环境和覆盖面较大的伪装目标表面。
3.为寻求一种能弥补上述不足的液体热控伪装结构，学习大自然的智慧是一种富有成效的途径。自然界中有些头足类动物（如变色龙、墨鱼等）能够根据周围环境的变化改变自身外表的颜色，以达到保护自己或捕获猎物的目的。受头足类动物的启发，科研人员设计了可重构的头足类蛋白质仿生红外伪装涂层，通过动态调节反射率来实现红外伪装；从恒温哺乳动物的毛发和鸟类的羽毛中获得灵感，提出了一种智能可重构毛发的纳米结构，具有动态隔热响应和热伪装功能；叶片的热调节能力也可用于热伪装。蜂窝状结构具有优良的隔热性能和机械性能，适合在恶劣的自然条件下进行热伪装。蜂窝芯层由多个腔体组成，防止热能进入结构，具有隔热功能。蜂窝芯层内的多个腔内可注入一定温度的流体，是一种天然的热伪装仿生结构。


技术实现要素：

4.为了解决大型目标在复杂多变的背景环境中，能够实现热红外和可见光双波段下的伪装，本发明提供了一种仿生蜂窝结构的热隐身薄膜，该薄膜利用微量流体实现伪装目标的快速热隐身。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种仿生蜂窝结构的热隐身薄膜，包括液体夹芯单元和气体夹芯单元，其中：所述液体夹芯单元和气体夹芯单元上下叠放；所述液体夹芯单元包括至少一层液体夹芯层；所述气体夹芯单元包括至少一层气体夹芯层；所述液体夹芯层和气体夹芯层均为蜂窝芯层，蜂窝芯层内部分隔为多个互通的子空腔，每个子空腔为六棱柱型；所述液体夹芯层设置有通液导管，气体夹芯层设置有通气导管。
6.一种仿生蜂窝结构的热隐身系统，包括上述仿生蜂窝结构的热隐身薄膜和微流控伪装系统，其中：所述微流控伪装系统包括温度模块和流体控制模块；所述温度模块用于控制进入液体夹芯层液体和进入气体夹芯层气体的温度，一定温度的气体通入气体夹芯层实现伪装目标的散热或温度保护和隔热，一定温度的液体注入液体夹芯层实现目标在热伪装中的隐身或示假；所述流体控制模块用于控制液体夹芯单元中液体和气体夹芯单元中气体，驱动不同颜色的液体进入多层液体夹芯层，不同颜色的液体使各层液体夹芯层呈现不同的颜色，不同颜色的排列组合可产生更多的视觉伪装效果，从而实现目标在可见光波段中的隐身或示假。
7.相比于现有技术，本发明具有如下优点：本发明应用伪装物体在热红外和可见光两波段的隐身或示假，可以适应恶劣的外界环境和应用在覆盖面较大的伪装目标表面，使用微量流体实现快速伪装。
附图说明
8.图1为薄膜结构主视图；图2为薄膜结构侧视图；图3为微流控伪装系统结构示意图；图4为薄膜内部毛细结构示意图；图5为伪装薄膜隐身效果图；图6为伪装薄膜示假效果图；图中：1、薄膜，2、流体控制模块，3、温度模块，4、液体容器，5、加热棒，6、热电制冷器，7、温度传感器，8、采集控制器，9、微型蠕动泵，10、微型气泵，11、电磁开关阀，12、溢流阀，13、储液池，14、废液池，15、减压阀，16、液体夹芯层1，17、液体夹芯层2，18、液体夹芯层n（n≥3），19、气体夹芯层1，20、气体夹芯层2，21、气体夹芯层m（m≥3），22、导管，23、薄膜的毛细通道。
具体实施方式
9.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
10.实施例1
本实施例提供了一种仿生蜂窝结构的热隐身薄膜，如图1和图2所示，所述热隐身薄膜包括液体夹芯单元和气体夹芯单元，其中：所述液体夹芯单元和气体夹芯单元上下叠放；所述液体夹芯单元包括n层（n≥3）液体夹芯层；所述气体夹芯单元包括m层（m≥3）气体夹芯层；所述液体夹芯层和气体夹芯层均为蜂窝芯层，蜂窝芯层内部分隔为多个子空腔，每个子空腔为六棱柱型；所述液体夹芯层设置有通液导管，气体夹芯层设置有通气导管。
11.本发明中，热隐身薄膜的制作采用透明弹性材料。
12.本发明中，热隐身薄膜为仿生蜂窝结构薄膜，薄膜的内部结构为六棱柱，蜂窝状分布。仿生蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。蜂窝芯层分隔为多个子空腔，使进入到薄膜的热量受到极大阻碍，因此，蜂窝夹层结构具有隔热的效果。另外，仿生蜂窝结构能够起到支承作用，减少因流体进出薄膜而引起薄膜的弹性变形。
13.本发明中，将热隐身薄膜附着在伪装目标表面时，气体夹芯层靠近目标表面，而液体夹芯层靠近外界环境。气体夹芯层通入不同温度的气体，起到保温隔热或散热的作用。液体夹芯层通入不同温度的有色液体，起到控制薄膜表面温度的作用，实现在红外波段下的隐身或示假；不同颜色的液体使透明薄膜呈现不同的颜色，在每层液体夹芯层充入不同颜色的液体时，薄膜整体也会呈现不同的颜色效果，可根据背景环境，控制各颜色液体进入不同液体夹芯层，由各颜色液体的排列组合可实现更多的视觉伪装效果，从而实现在可见光波段中的伪装。
14.本发明中，如图4所示，液体夹芯层的内表面设置有凹槽式的毛细通道，毛细通道的作用：当液体进入薄膜时，由于薄膜中的液体受到重力的影响，易出现不能充满薄膜的现象，因此内部采用毛细结构，使液体克服重力产生向上方流动的趋势，加快充满薄膜的时间和减少液体用量。液体夹芯层的内表面具有亲水性，通过氧化改性处理提高表面的亲水性能，从而使微量液体更快的向上扩散（四周扩散），减少薄膜充满所需的时间和液体用量。由于薄膜的毛细通道和亲水性的设计，使得微量流体可快速充满大面积的薄膜结构。
15.实施例2本实施例提供了一种仿生蜂窝结构的热隐身系统，如图3所示，所述热隐身系统包括仿生蜂窝结构的热隐身薄膜和微流控伪装系统，其中：所述热隐身薄膜包括液体夹芯单元和气体夹芯单元：所述液体夹芯单元和气体夹芯单元上下叠放；所述液体夹芯单元包括三层液体夹芯层；所述气体夹芯单元包括一层气体夹芯层；所述液体夹芯层和气体夹芯层均为蜂窝芯层，蜂窝芯层内部分隔为多个子空腔，每个子空腔为六棱柱型；所述液体夹芯层设置有通液导管，气体夹芯层设置有通气导管；所述微流控伪装系统用于控制热隐身薄膜中流体的温度和流动方向，包括温度模块和流体控制模块；所述温度模块包括加热棒、热电制冷器、温度传感器和采集控制器，用于控制进入
液体夹芯层液体和进入气体夹芯层气体的温度，不同温度的气体用于气体夹心层的隔热、保温或散热，不同温度的液体用于在热伪装中薄膜的隐身或示假。其中：采集控制器连接液体容器，液体容器内设置有温度传感器、加热棒和热电制冷器。液体容器包括储液池和废液池，每个储液池中装有不同颜色的液体，各颜色液体具有相同的温度。温度传感器测量液体容器中液体的温度实时传输到采集控制器，由采集控制器控制加热棒和热电制冷器的开关。当气体夹芯层用于伪装目标的温度保护或隔热时，通入空气即可。当气体夹芯层用于伪装目标的散热时，通入热力学性质优良的低温气体，包括液n2、液态 co2和液态ch4，或通入空气与液氮蒸发气混合后的低温气体。
16.所述流体控制模块由微型蠕动泵、微型气泵、电磁开关阀、溢流阀、储液池、废液池和减压阀组成，用于控制进入液体夹芯单元液体和进入气体夹芯单元气体的进量和方向，不同颜色的液体用于在视觉伪装中使附着薄膜的目标融于背景环境。其中：微型蠕动泵连接储液池和废液池，蠕动泵通过正反转向液体夹心层注液和排液，将泵送的多余液体通过溢流阀到废液池中。微型蠕动泵连接电磁开关阀控制进入各层液体夹芯层中的液体颜色。微型气泵通过正反转经减压阀向气体夹心层进气和抽气。
17.本实施例中，微流控伪装系统的工作原理是通过温度模块和流体控制模块来控制薄膜的多层蜂窝夹芯结构中流体的温度、流向和颜色，不同温度的微量流体输送给薄膜，使伪装物体实现在热红外和可见光两波段内隐身或示假的伪装效果。这里的流体指的是液体和气体。液体为水性染料液体，呈透明状，具有优良的热稳定性、耐光、耐候性、抗氧化性。根据背景环境，由rgb三原色染料原浆配比而成所需的伪装染料液体。气体可为常温或低温气体，其中：常温气体为空气或惰性气体，低温气体为液n2、液态 co2、液态ch4或空气与液氮蒸发气混合后的气体，常温气体用于伪装物体的隔热与保温，低温气体用于伪装物体的加速散热。
18.本实施例中，通过采集控制器控制温度模块加热棒和热电制冷器的工作，进而控制液体容器中各颜色液体的温度，当温度传感器测得液体容器中的液体温度达到要求时，信号通过采集控制器传向流体控制模块，流体控制模块控制微型蠕动泵正转向薄膜的液体夹芯层充液，电磁开关阀用于控制进入液体夹芯层中液体的颜色。当薄膜充满液体时，关闭电磁开关阀，微型蠕动泵排出的多余液体通过溢流阀流向废液池。与薄膜的气体夹芯层相连接的气压回路，当微型气泵正转时，向气体夹芯层充入；当微型气泵反转时，可将气体夹芯层中的气体抽出。
19.图5和图6为伪装目标的热隐身和伪装薄膜的热红外示假。将电加热器放置在车辆模型内部，模拟启动车辆的发热。在车辆模型表面附上薄膜。由微流控伪装系统向薄膜中充入流体，以达到伪装目标的热隐身效果。伪装后的车辆模型的红外图像如图5c所示。伪装薄膜不仅可以用来热隐身，还可以用来显示虚假目标。图6展示了兔子和北极熊形状的伪装薄膜。北极熊是哺乳动物，体温为36.5℃，而兔子的体温比北极熊略高，可以达到39℃。由微流控伪装系统向薄膜中充入流体，红外监视设备和观察者会误判为真实的动物，如图6b和图6d所示。薄膜的热稳定性在-40℃～230℃范围内。向伪装薄膜中充入不同温度的液体，可以显示出各式各样的假目标来迷惑观察者。