热学超材料是近些年才提出的宏观调控热能的新方法,有望在热能的利用上大展拳脚。基于热学超材料的热学隐身衣极大地丰富了隐身技术领域,但是现有的热学隐身衣仅停留在概念验证阶段,最大的瓶颈是所需理想介质必须具有非均匀性、各向异性和内边界奇异性。基于“离散-等效”方法的层状结构是实现热学隐身衣的一种简单而有效的途径,然而其存在可设计形状简单、设计方法单一、所需组分材料多等问题。因此,针对热学隐身衣层状结构存在的问题,在理论设计、实验制备与测试方面对热隐身衣层状结构进行深入研究,对将热学隐身衣技术推向实用具有重要意义。首先,针对热学隐身衣层状结构可设计形状简单的限制,对二维圆柱形热学隐身衣层状结构的“离散-等效”方法进行了扩展和一般化,设计了二维椭圆柱形和复杂截面形状柱形热学隐身衣的层状结构,并利用传热仿真进行了层状结构的热学隐身效果验证。传热仿真结果证明了扩展和一般化的“离散-等效”方法是有效的,设计的层状结构具有预期的热隐身效果。然后,针对热隐身衣层状结构设计方法单一的问题,建立了二维圆柱形热学隐身衣的隐式变换理论,增强了层状结构设计的灵活性。定义了两个指标以更好地定量表征热学隐身性能,揭示了坐标变换形式对层状结构热隐身衣性能的影响机制。坐标变换形式直接控制原空间和变换空间的映射方式,影响隐身衣内热流分布,进而调控层状结构的热学隐身性能。提出了两种改善的二维圆柱形热学隐身衣层状结构,均具有良好的热隐身性能。最后,为了解决层状结构所需组分材料种类多的问题,对二维圆柱形热学隐身衣层状结构进行改进和多目标优化设计,得到了一种热学隐身性能优异同时制备难度低的层状结构,仅需六种组分材料。从现有材料库中找到所需的组分材料,制备了优化设计的层状结构,在均匀热流工况下测试。实验结果表明,制备的层状结构在稳态和瞬态情况下均具备热学隐身效果,但其热隐身性能具有时间依赖性。进一步研究发现,强对流传热限制了热学隐身衣层状结构的热调控作用,制备的热学隐身衣层状结构可能更适用于热传导为主要热能传递方式的情形,如小面积的微电子器件热防护领域。