來(lái)源 | ACS Applied Materials&Interfaces

01

背景介紹

近年來(lái)由于氣候變化，高溫等極端天氣事件的頻率有所增加。這些事件可對(duì)人類(lèi)健康、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境造成毀滅性影響。傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)，如空調(diào)等傳統(tǒng)冷卻方法，加速導(dǎo)致溫室氣體排放，加劇了氣候變化。輻射冷卻技術(shù)已經(jīng)成為一種很有前途的替代方案，它提供有效的冷卻能力，不消耗電力，并且不會(huì)向環(huán)境中釋放有害化學(xué)物質(zhì)。這種新的冷卻技術(shù)是通過(guò)反射太陽(yáng)輻射并將紅外輻射發(fā)射到寒冷的空間中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了達(dá)到有效的冷卻效果，材料在大氣窗口波段(8 ~ 15 μm)具有高發(fā)射率，在太陽(yáng)波段(0.3 ~ 2.5 μm)具有高反射率。

然而，在高溫環(huán)境中，材料與環(huán)境之間的高溫差異會(huì)導(dǎo)致熱交換和導(dǎo)熱，從而削弱冷卻效果因此，開(kāi)發(fā)輻射冷卻材料的另一個(gè)關(guān)鍵因素是降低導(dǎo)熱性。低導(dǎo)熱系數(shù)阻礙了通過(guò)直接傳導(dǎo)獲得大量熱量，但由于其固有的脆性和易開(kāi)裂性，也給材料的加工和機(jī)械性能帶來(lái)了挑戰(zhàn)，這可能會(huì)損害結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性。因此，開(kāi)發(fā)具有低導(dǎo)熱性的柔性和堅(jiān)固的輻射冷卻材料對(duì)于輻射冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

隨著輻射冷卻材料的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了多孔聚合物薄膜與傳統(tǒng)的冷卻材料相比它們的重量輕，柔韌性好，導(dǎo)熱性低。此外，多孔聚合物薄膜通過(guò)操縱孔徑和孔密度來(lái)控制傳熱的能力是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。研究人員仍在探索如何優(yōu)化多孔聚合物輻射冷卻材料的孔徑和孔密度，以達(dá)到最佳的冷卻性能。

02

成果掠影

近期，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系膠體微球與涂料課題組武利民教授和游波教授針對(duì)開(kāi)發(fā)具有低導(dǎo)熱性的柔性輻射冷卻材料取得最新進(jìn)展。竹蓀屬鬼筆菌科，主要生長(zhǎng)在中國(guó)四川，適宜生長(zhǎng)溫度為20 ~ 23℃。其莖的表面有明顯的孔隙，在高倍顯微鏡下，很明顯這些大孔隙是由更小的亞微孔組成的(圖1) 。該團(tuán)隊(duì)受其多層多孔生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種新型的hollow@porous輻射冷卻膜，該膜將中空微粒和多孔聚合物結(jié)合在一起。制備的hollow@porous柔性薄膜具有較高的太陽(yáng)光反射率(93.7%)、較強(qiáng)的紅外發(fā)射率(89.1%)和超低的導(dǎo)熱系數(shù)(17.56 mW/mk)。實(shí)驗(yàn)表明，在峰值太陽(yáng)強(qiáng)度為980 W/m²時(shí)，所制備的冷卻器的日間冷卻性能顯著降低至17.4℃。此外，獨(dú)特的hollow@porous結(jié)構(gòu)還通過(guò)結(jié)合耐候性和自清潔特性加強(qiáng)了薄膜的長(zhǎng)期耐用性，即使在惡劣的氣候條件下也能確保穩(wěn)定高效的輻射冷卻性能。輻射冷卻材料的進(jìn)步為太陽(yáng)能電池板、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、電子設(shè)備、新能源電池等的熱管理、節(jié)能和冷卻開(kāi)辟了新的可能性。研究成果以“High-Durable, Radiative-Cooling, and Heat-Insulating Flexible Films Enabled by a Bioinspired Dictyophora-Like Structure”為題發(fā)表于《ACS Applied Materials&Interfaces》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1. 竹蓀獨(dú)特的多層多孔生物結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2. 輻射冷卻的仿生hollow@porous柔性薄膜的制備工藝流程圖。

圖3. (a) TPU、FPU、FTPU的FTIR光譜，(b) TPU和FTPU薄膜的反射率和發(fā)射率。

圖4. (a) HTPs的SEM圖像和(b) TEM圖像，(c)高溫高溫顆粒分布，(d, e) FTPU?HTPs薄膜的SEM圖像，(f) FTPU?HTPs薄膜截面的SEM圖像，(g) FTPU、FTPU?HTPs10%、FTPU?HTPs20%和FTPU?HTPs30%的WCA和(h)反射率和發(fā)射率光譜。

圖5. (a)使用簡(jiǎn)易夾心裝置加熱前后的薄膜紅外圖像，(b)裸玻璃片和夾膜玻璃片的溫度曲線(xiàn)，(c)加熱3min時(shí)樣品的最終表面溫度和溫控差，(d)不同HTPs含量下FTPU?HTPs膜的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖6. (a)被動(dòng)日間輻射冷卻器示意圖，(b)用于評(píng)估輻射冷卻性能的裝置示意圖，(c) SC和NSPS制PU膜的溫度跟蹤，(d)不同HTPs含量的FTPU?HTPs薄膜的溫度跟蹤。

圖7.(a)用于實(shí)際冷卻試驗(yàn)的固定車(chē)型的數(shù)字圖像，(b)汽車(chē)模型中設(shè)置的內(nèi)部熱電偶數(shù)字圖像，(c)測(cè)試車(chē)型內(nèi)部的溫度跟蹤，(d)遮蓋和未遮蓋汽車(chē)模型在太陽(yáng)下曝曬一小時(shí)的紅外圖像。

圖8.(a)FTPU?HTPs照片。(b)FTPU?HTPs薄膜的輻射冷卻性能。

END

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