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被動輻射冷卻

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創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
被動輻射冷卻圖1

被動輻射冷卻的實例教程

來源 | Advanced Functional Materials 01 背景介紹 被動輻射冷卻(PRC)材料能夠在零能量輸入的情況下，通過8~13 μm范圍內的大氣透明窗口持續向寒冷的外太空散熱，有利于降低全球能耗，因而在建筑制冷、人體熱量管理、光伏設備制冷、發電和水回收等領域具有廣闊的應用前景。目前，超材料、無機多層結構、納米粒子嵌入結構、多孔聚合物薄膜等均被設計用于PRC領域，并且獲得了高效的PRC效率。為了應對多變的天氣，制冷效率的動態調節顯得尤為重要，但目前僅有少數能夠通過溫度或液體浸潤來實現PRC效率調節的相關報道。然而，這些動態PRC材料的響應性因素在現實環境中具有不可預測性以及不穩定性，且切換速度非常有限。為了滿足實際應用的要求，實現PRC材料冷卻效率的超快和穩定按需控制是極其必要的，但具有挑戰性。 聚合物分散液晶(PDLC)內部呈現多孔結構，通過電場能夠對液晶微滴與聚合物基質間的折射率匹配性進行調節，從而實現薄膜光學性能變化。由于制備簡單且成本低，PDLC在動態光學調節窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區域具有特殊的化學鍵振動，有望在大氣窗口范圍內產生穩定的紅外熱發射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進一步的探索。
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來源 | Materials Today Sustainability 01 背景介紹 2021 年，基于各種制冷劑汽化和壓縮的傳統冷卻系統消耗的電力約占美國總電力消耗的10%，這導致環境中大量的溫室氣體排放，從而加速全球變暖。因此，當前開發一種環保節能的冷卻技術十分重要。被動輻射冷卻（PRC）方法可以有效地反射太陽光（0.3 ～ 2.5 μm），并通過大氣透明窗口（8 ～ 13 μm）向寒冷的外層空間（～3 K）發射紅外熱輻射。這些冷卻過程同時發生，且無需任何電力輸入，這為減少各種冷卻應用中的能耗提供了絕佳的機會。近年來，人們提出了多種PDC結構成功實現了陽光直射下冷卻，包括多層結構、超材料、隨機分布顆粒結構和多孔結構。盡管這些低溫冷卻結構具有良好的性能，但其設計和制造過程復雜且成本高昂，阻礙了其廣泛應用。 目前，全球對塑料的需求持續增長，預計到2030年將達到每年4.17億噸。這也導致了塑料廢物急劇增加。促進塑料的減量、再利用和回收可以有效防止更多的聚合物材料釋放到環境中，從而遏制環境污染。目前，機械回收是五種主要包裝塑料環境和經濟可持續經濟的主要工具：聚對苯二甲酸乙二醇酯（PETE）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC），但機械降解仍然受到成本的限制。因此，迫切需要提出一種基于機械的策略來提高其回收價值。打印紙由于原材料豐富且具有出色的生物降解性，成為PRC結構的良好候選材料，然而，雖然打印紙具有被動輻射冷卻特性，但其耐水性不足，使其無法靈活應用。
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替代能源密集型冷卻方法之一是被動日間輻射冷卻(PDRC)——一種通過反射太陽光[波長（λ）~0.3至2.5μm]并通過大氣的長波紅外（LWIR）透射窗（λ~8至13μm），將熱量輻射到冷的外部空間，表面自發冷卻的現象。近幾十年來的研究已經產生了多種PDRC設計，包括復雜的發射涂層，如光子結構、介質、聚合物，以及金屬鏡上的聚合物-介質復合材料。雖然效率很高，但這些設計成本高且易受腐蝕。 【成果簡介】 今日，在美國哥倫比亞大學虞南方助理教授和樣遠助理教授（共同通訊作者）團隊的帶領下，與美國阿貢國家實驗室和美國布魯克海文國家實驗室合作，報告了一種簡單，可擴展且廉價的基于相轉化的工藝，用于制造具有優異Rsolar和εLWIR 的分層多孔性的聚合物涂層。具體而言，實現了與襯底無關的半球形Rsolar=0.96±0.03和εLWIR=0.97±0.02的分層多孔聚（偏二氟乙烯-共-六氟丙烯）P(VdF-HFP)HP。這些值導致了極好的PDRC能力，例如，在890和750 W m-2的太陽強度下，低溫室溫度為~6℃，平均冷卻功率為~96 W m-2。性能與先前報告中的相當或超過之前的。因為制造技術是基于室溫和溶液的，所以多孔聚合物涂層可以通過常規方法，如涂漆和噴涂施加到各種表面，例如塑料，金屬和木材。此外，它可以摻入染料以實現顏色和冷卻性能之間的理想平衡。涂層的性能和該技術的類似涂料的便利使其成為實現高性能PDRC的可行方法。
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P(VdF-HFP)HP涂層的通用性 優異的輻射冷卻性能： 由于微納米孔道結構的存在，薄膜具有極佳的反向散射太陽光和增強熱輻射的能力。研究發現，厚度大于300μm，孔隙度超過50%的P(VdF-HFP)HP薄膜半球為0.96， 為0.97。當厚度大于500μm時，可以達到0.98以上。超高的值確保了對太陽光的有效反射，并避免了之前設計中廣泛使用的銀反光器。 在太陽光強度為890和750 W m-2條件下，涂層可將室溫自然降低6℃左右，冷卻功率為96 W m-2。這一性能足以媲美目前最好的被動輻射冷卻技術。 圖4. P(VdF-HFP)HP輻射冷卻性能 總之，這項研究利用相轉化法開發了一種操作簡單、成本低廉、可規模化的多級次多孔聚合物涂層制備方法，實現了高效率的被動輻射冷卻性能，為更宜居的生活環境，更節能環保的空調系統的設計起到了重要推動作用！ 參考文獻： http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/26/science.aat9513?rss=1 來源：納米人
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來源 | The American Ceramics Society官網 一種新的受甲蟲啟發的陶瓷輻射涂層應用于房屋屋頂，圖片來源：香港城市大學 隨著全球氣溫持續上升，面臨與高溫有關的疾病和死亡風險的人比以往任何時候都多。雖然空調似乎是一種解決方案，但使用這項技術會導致氫氟碳化物和溫室氣體的排放，從而推動氣候變化。因此需要其他不會產生任何排放的冷卻方法。 輻射涂層可以在不使用機械制冷設備的情況下提供被動冷卻。這些涂層旨在反射太陽輻射并向寒冷的外太空發射熱輻射，從而實現無電自發冷卻。近年來，研究人員在輻射涂層方面取得了許多進展，這在很大程度上要歸功于微納加工方面的創新。今天的CTT概述了最近發表在《科學》第382卷第6671期上的兩篇論文，這兩篇論文利用這種制造技術來開發新的輻射涂層。 受甲蟲啟發的陶瓷涂層實現了近乎完美的太陽反射率 香港幾所大學的研究人員設計了一種新的陶瓷輻射涂層，其太陽反射率接近完美的99.6%。該涂層令人印象深刻的性能歸功于其納米結構，其靈感來自Cyphochilus甲蟲。Cyphochilus甲蟲原產于東南亞，被認為是地球上最白的昆蟲。它的著色是由于覆蓋甲蟲整個外骨骼的微小鱗片的排列。這些鱗片只有 6 μm 厚，形成了一個高度連接且致密的幾丁質網絡，即一種長鏈聚合物，可為甲殼類動物、昆蟲的外骨骼和真菌的細胞壁提供強度。甲殼素的散射效率極高，導致超白外觀。 以前的研究，例如這里，已經從Cyphochilus甲蟲中汲取靈感，以創造可持續和生物相容的超白涂層。但這項新研究通過創造一種既美觀又實用的涂層，將這一靈感向前推進了一步。 香港研究人員通過一種可以很容易地進行大規模生產的工藝制造了陶瓷涂層。
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被動輻射冷卻圖2

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來源 | The American Ceramics Society官網 一種新的受甲蟲啟發的陶瓷輻射涂層應用于房屋屋頂，圖片來源：香港城市大學 隨著全球氣溫持續上升，面臨與高溫有關的疾病和死亡風險的人比以往任何時候都多。雖然空調似乎是一種解決方案，但使用這項技術會導致氫氟碳化物和溫室氣體的排放，從而推動氣候變化。因此需要其他不會產生任何排放的冷卻方法
在過去的幾年中，各種RC薄膜被報道用于被動日間輻射冷卻(PDRC)，其重點是有效地阻擋太陽輻照并在大氣透射窗口(8 - 13 μm)內強發射，如超表面光子晶體和多層和混合聚合物材料。PDRC薄膜在建筑制冷、光伏制冷、集水、發電、和個人熱管理等實際應用中顯示出巨大的潛力。關于PDRC薄膜用于冷卻電子器件的報道很少。
可拉伸janus型電磁屏蔽織物的被動輻射冷卻性能 圖6. 可拉伸janus型電磁屏蔽織物的光熱轉換性能 ★ 平臺聲明 部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！
此外，被動輻射冷卻是一種可選擇性地向較冷的外太空發射熱輻射，同時反射太陽光譜(0.3-2.5 mm)以減少能量輸入的機制。因此，作者立足于建立在不同光譜區域中用于太陽能加熱和被動冷卻的選擇性吸收器/發射器之間的整體關系，在綜述中總結了光熱轉換和調控的基本原理。
(a)被動日間輻射冷卻器示意圖，(b)用于評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)用于實際冷卻試驗的固定車型的數字圖像，(b)汽車模型中設置的內部熱電偶數字圖像，(c)測試車型內部的溫度跟蹤，(d)遮蓋和未遮蓋汽車模型在太陽下曝曬一小時的紅外圖像。 圖8.
來源 | Applied Physics Letters 01 背景介紹 精密電子器件要求保持所需的工作溫度，過冷或過熱會極大地影響器件的性能。傳統的主動熱管理方法存在一定的弊端，而輻射熱管理具有零能耗和高集成度等優點，在精密電子儀器中具有獨特的優勢。其相關的涂層設計適合于太陽光照射可能引入溫度變化的空間環境。為了實現熱動態平衡
該氣凝膠能夠實現可切換的熱調節，將被動輻射冷卻和加熱集成到一個材料系統中，以適應多變的環境。
來源 | ACS Nano 01 背景介紹 黑體輻射具有高度不對稱的連續光譜，完全依賴于表面溫度，導致在頻率或動量域塑造熱發射光譜一度被認為是難以捉摸的任務。納米光子學的進步，使熱發射在動量域和頻率域的調節成為可能。由于設計原理的復雜性，角度選擇熱發射比波長選擇熱發射更具挑戰性。早期試圖將熱發射轉向某一方向的嘗試僅限于窄光譜或特定極化
來源 | Renewable Energy 01 背景介紹 質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動快、無污染排放等優點，因而被廣泛應用于分布式發電、便攜式供電、交通運輸等領域。然而，PEMFC在輸出電能的同時釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會導致膜電極組件降解并造成不可逆的損壞
被動輻射冷卻（PRC）方法可以有效地反射太陽光（0.3 ～ 2.5 μm），并通過大氣透明窗口（8 ～ 13 μm）向寒冷的外層空間（～3 K）發射紅外熱輻射。這些冷卻過程同時發生，且無需任何電力輸入，這為減少各種冷卻應用中的能耗提供了絕佳的機會。近年來，人們提出了多種PDC結構成功實現了陽光直射下冷卻，包括多層結構、超材料、隨機分布顆粒結構和多孔結構。