輻射降溫材料的案例
一種可量產的多功能輻射降溫材料
來源 | Progress in Materials Science
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背景介紹
隨著全球變暖加劇和極端高溫天氣頻發，人體、建筑、設備等的降溫需求日益迫切。傳統制冷系統雖然能夠實現降溫，但其運行所需的制冷劑和電力嚴重加劇了溫室效應和能源消耗，對綠色可持續發展構成巨大威脅。是否存在一種新型的綠色降溫方式，可以在不消耗能源的情況下實現降溫？輻射降溫技術是一種無需能量輸入的物理降溫技術，它通過對太陽光和中紅外波段光譜進行選擇性精準調控，最終實現物體的無源持續降溫。該技術有助于緩解能源危機和溫室效應，對實現“雙碳”目標具有重要意義。
近年來，關于輻射降溫材料的理論模型、基本原理和精準成型的研究已經取得了一定的進展。然而，如何通過豐富的原材料和成熟的工藝技術來制備輻射降溫材料或器件以滿足大規模的實際應用需求仍有許多工作需要開展。
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成果掠影
近期，陜西科技大學薛朝華教授團隊聯合香港理工大學王鉆開教授和華中科技大學陶光明教授團隊，系統闡述了輻射降溫基本原理和可宏量制備的多功能輻射降溫材料的設計策略。該論文全面總結了可量產多功能輻射降溫材料的最新成果，旨在縮短基礎研究與產業需求之間的差距，并進一步展望了輻射降溫材料未來發展的挑戰與機遇。該文章有望在基礎科學研究和實際產業應用之間架起一座橋梁，彌合基礎研究和產業需求之間的差距，有效促進輻射降溫材料或器件更好地服務于人類社會。相關研究成果以“Scalable multifunctional radiative cooling materials”為題發表于《Progress in Materials Science》。
展開 降溫黑科技：一款有潛力淘汰空調的材料
這種材料制成的薄膜，能夠將建筑物內的熱量以輻射的形式發射到太空，以超低成本和零污染形式實現建筑物的溫度控制，降低能源消耗和溫室氣體排放。
作為人們生活的一部分，空調早已經成為現代建筑不可或缺的組成部分。但正是空調，占據了建筑耗能的 30% 以上，在消耗大量能源的情況下，排放大量溫室氣體，可以說是全球氣候變暖的主要發動機之一。有沒有一種方式，能在不使用空調的情況下保持室內的宜人溫度？
美國科羅拉多大學博德分校的楊榮貴教授和尹曉波教授的團隊，研制出一種復合型材料，用這種材料制成的薄膜，能夠將建筑物內的熱量以輻射的形式發射到太空，以超低成本和零污染形式實現建筑物的溫度控制。目前這款由復合材料制成的薄膜已經能夠量產，如果能推廣到全球，每年至少可以省下近 1 億千瓦時的電量，對控制溫室效應和全球變暖趨勢將更有效果。
降溫界的黑科技
這種復合型材料是由許多直徑在 8 微米左右的二氧化硅微球隨機地鑲嵌在聚甲基戊烯中制成的 50 微米厚的薄膜，可以以紅外電磁波的形式向外輻射能量從而達到制冷的效果。從結構上看，這種材料類似于在一層塑料之間不規則的嵌入了很多玻璃球（二氧化硅）。
這種材料的降溫原理是，其本身能夠發射頻道是 8-14 微米波長段，這個波長段發射的能量幾乎不被大氣層通過反射、吸收和散射等方式「轉換消化」掉，而是直接穿過大氣層，進入外太空。可以這么理解，這種材料就是在地球的室溫環境和外太空的極冷環境間搭設了一個能量輸送通道。
在這種薄膜的一面鍍上一層金屬如鋁或者銀，則可以實現高達 96% 的太陽能反射率，進一步提高制冷效果。實驗顯示，這種材料在中午陽光直射下具有最高可達 93W/平米的輻射制冷功率，可讓與它接觸的物體降溫 10-16 ℃。
展開 手機的石墨烯復合材料降溫貼真那么神奇？
市面上流傳著這樣一個東西——石墨烯復合材料手機降溫貼。傳聞它對手機的降溫效果可達10℃-15℃，石墨烯降復合材料溫貼真有這么神奇嗎？它的工作原理到底是什么？
對此，“周到實驗室”進行了對比實驗：
實驗中，測試者拿來兩部相同的iPhone手機，起始溫度基本一致（27.6℃），然后播放同一部高清視頻。
15分鐘后，沒有貼石墨烯降復合材料溫貼的手機升到了40.3℃，而貼有石墨烯降溫貼的手機升到了36℃。
也就是說，降溫效果的確存在，雖然沒有傳聞中那么夸張，但的確達到了一定的降溫效果，在炎炎夏日，確實對手機有一定的保護作用。
這是神馬原理呢？周到實驗室表示，石墨烯是已知最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。用石墨烯制成手機散熱貼，由于其水平導熱率大，可以使手機的局部熱源快速地分散到整體石墨烯復合材料散熱貼上，以達到其為手機降溫的目的。
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展開 abaqus利用usdfld子程序在焊接降溫階段改變材料參數 ￥29.9
abaqus利用usdfld子程序在焊接降溫階段改變材料參數，在tig焊接仿真中，焊接后，焊縫組織強度變高，為了提高仿真的精度，在焊接時，在升溫結束開始降溫時提高焊縫的材料性能。子程序包括了采用高斯熱源dflux和usdfld聯合仿真。（該usdfld也可用在混凝土在升溫降溫不同的材料參數）
一種用于節能建筑和人體熱管理的輻射制冷的纖維素材料
輻射冷卻能夠以熱輻射的形式將地球的熱量傳遞到外太空，無需任何能量輸入的條件下，在日間通過最小化太陽能吸收實現了低于環境溫度的降溫效果，這種零能高效的降溫方式為節能建筑、人體熱管理和太陽能電池熱管理等領域的發展提供新的策略和機遇。在這種背景下由于輻射冷卻材料可以自發地將熱輻射散發到寒冷的外層空間的優越能力而成為目前研究的焦點。
最近開發了一系列先進的功能材料和復雜的策略，通過在亞波長尺度上操縱光-物質相互作用來促進被動、高效和可持續的輻射冷卻性能或先進的熱管理。但是需要注意的是，這些輻射冷卻材料和結構都是光學靜態的，無論環境變化如何，它們通常都是作為一種冷卻方式發揮作用。人們非常希望開發出能夠根據需要在冷卻和加熱模式之間動態切換的先進輻射冷卻材料。
纖維素存在于許多常見的植物如棉花、木材和竹子中，也可以由細菌進行分泌合成。細菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）是一種由細菌分泌合成的纖維素材料。同時，BC還具有可大規模制備和純度高的特點，被廣泛應用于智能電子、熱管理和生物醫藥等領域。然而，細菌纖維素材料應用于輻射冷卻領域存在大氣窗口中紅外發射率較低，限制了其在輻射冷卻領域的應用。
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成果掠影
近日，天津大學封偉教授、王玲教授團隊通過原位生長技術成功開發了具有太陽光透過率可調特性的細菌纖維素基輻射冷卻材料。該團隊報道了生物合成細菌纖維素(BC)基輻射冷卻(Bio-RC)材料的設計和規模化制造，該材料具有可切換的太陽透射率。該材料是通過在原位培養過程中將二氧化硅微球與連續分泌的纖維素納米纖維纏結而開發的。由此產生的薄膜顯示出很高的太陽反射(95.3%)，在濕潤時可以很容易地在不透明狀態和透明狀態之間切換。
展開 一種間歇放熱相變材料，可用于地板輻射采暖系統的熱管理
圖4是將水合鹽凝膠應用于地板輻射采暖系統中，實現了四種間歇放熱。結果表明，水合鹽凝膠在地板輻射采暖系統中具有廣闊的應用前景。
圖 4 a)地板輻射采暖系統試驗模型。b)地板下輻射采暖系統配置：1)裝飾層(木地板)；
2）相變材料管道（水合鹽凝膠的三條平行管道），3）硅橡膠加熱片，4）保溫層（玻璃纖維保溫板），5)混凝土板。地板輻射采暖系統中3條并聯相變材料管線可實現4種不同的間歇放熱順序：一次放出全部熱量（c1）；連續放出間歇熱（間歇熱放出三次）（d1）；間歇放熱兩次(e1, f1)。不同顏色的管道代表不同的放熱時間，放熱過程的順序由顏色表示（顏色較淺表示在顏色較深之前放熱）。間歇性放熱是通過用浸水剪刀切割黑色部分（稱為閥門）來實現的。c2, d2, e2, f2)四個序列對應的模型溫度曲線。
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展開 上海交大黃興溢教授、鮑華教授合作《AFM》：高導熱輻射熱制冷絕緣材料
當與模擬計算的具有優異性能的傳統輻射制冷材料相比，該薄膜可以將器件溫度降低~7 ℃，這一巨大的溫度下降，體現出了高導熱率對于將輻射制冷材料用于戶外器件熱管理的重要意義。為了展示該薄膜材料應用的便捷性，他們將該薄膜貼在陽極氧化鋁電子器件表面，與沒有貼薄膜的器件相比，在陽光下，該薄膜可以將器件的溫度降低2.5 ℃。
圖 5 戶外熱管理性能。（a）無陽光時薄膜與PDMS的降溫效果對比；（b）計算得到的薄膜降溫效果與其紅外發射率與導熱率的關系；（c）在戶外陽光下的樣品溫度實驗數據與計算數據；（d-f）在電子器件外粘貼薄膜后的散射效果對比。
同時該薄膜好具有良好的戶外耐候性、柔韌性、阻燃性，以及具有較低的介電常數（<4）與介電損耗（10-3），有利于其應用于戶外5G通訊設備，不會阻礙信號的傳播。
該研究對2D介電納米片在輻射制冷中的應用提出了新的見解。基于此，通過在柔性聚合物薄膜中引入2D h-BN 散射體制備出了具有優異性能的高導熱輻射制冷薄膜。相信，關于2D介電納米片的新的理解還可推廣到輻射制冷之外的光、熱管理應用領域。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109542
展開 金屬凝固過程組織結構演變的完美呈現 | 同步輻射在金屬材料表征方面的應用
在金屬材料領域，有一個關系一直被人們研究和利用，那就是成分-組織-性能關系。認識清楚了該關系，人們就知道了該如何制備更好的材料。為此，人們不斷探索新的表征方法，幫助認識材料的微觀組織，揭示這一重要關系。
近百年來，科研人員聚焦金屬材料組織結構的表征，發展起來了光學顯微鏡、激光共聚焦、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等。通過材料截面的拋光與腐蝕，呈現金屬的微觀組織結構并采用顯微鏡觀察和記錄。
即使在科技比較發達的今天，人們在分析金屬材料的微觀組織結構時大多還是大多使用二維圖像。然而，隨著人們對問題的認識不斷深入，越來越希望了解材料微觀組織結構的三維特征，甚至時間特征。于是多種層析技術應運而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認識和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時間和溫度場等。由于問題的復雜性，直到今天，人們也沒有完全認識和徹底呈現凝固過程中的微觀組織演化。
科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競爭力的手段。
何為同步輻射
在過去的幾年里，材料研究的前沿領域取得了迅速的進展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴大我們對材料前沿的基本理解。
中國第一臺第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過14億元
同步輻射是相對論和超相對論電子在磁場中旋轉產生的輻射，是高能天體物理學中的主要過程。它最初是在早期的電子感應加速器實驗中觀察到的，在實驗中電子首先被加速到超相對論能量，加速器發出強大X射線輻射。
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