輻射冷卻
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
輻射冷卻的實例教程
傳統的冷卻技術，如空調等傳統冷卻方法，加速導致溫室氣體排放，加劇了氣候變化。輻射冷卻技術已經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，并且不會向環境中釋放有害化學物質。這種新的冷卻技術是通過反射太陽輻射并將紅外輻射發射到寒冷的空間中來實現的。為了達到有效的冷卻效果，材料在大氣窗口波段(8 ~ 15 μm)具有高發射率，在太陽波段(0.3 ~ 2.5 μm)具有高反射率。
然而，在高溫環境中，材料與環境之間的高溫差異會導致熱交換和導熱，從而削弱冷卻效果因此，開發輻射冷卻材料的另一個關鍵因素是降低導熱性。低導熱系數阻礙了通過直接傳導獲得大量熱量，但由于其固有的脆性和易開裂性，也給材料的加工和機械性能帶來了挑戰，這可能會損害結構的完整性和耐久性。因此，開發具有低導熱性的柔性和堅固的輻射冷卻材料對于輻射冷卻技術的實際應用至關重要。
隨著輻射冷卻材料的發展，人們發現了多孔聚合物薄膜與傳統的冷卻材料相比它們的重量輕，柔韌性好，導熱性低。此外，多孔聚合物薄膜通過操縱孔徑和孔密度來控制傳熱的能力是一個關鍵優勢。研究人員仍在探索如何優化多孔聚合物輻射冷卻材料的孔徑和孔密度，以達到最佳的冷卻性能。
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成果掠影
近期，復旦大學材料科學系膠體微球與涂料課題組武利民教授和游波教授針對開發具有低導熱性的柔性輻射冷卻材料取得最新進展。竹蓀屬鬼筆菌科，主要生長在中國四川，適宜生長溫度為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) 。該團隊受其多層多孔生物結構的啟發，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合在一起。
展開 來源 | Materials Today Sustainability
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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。
展開 竹材去木質素及環氧樹脂填充前后的結構以及銀納米線涂層的電子顯微鏡照片
為了找出銀納米線涂層厚度、光學性能以及輻射率之間的關系，0到18層的銀納米線被分別覆蓋于高輻射冷卻竹材的表面。如圖3所示，當覆蓋更多銀納米線涂層后，透射率相應的降低。然而，隨著銀納米線涂層數量的增加，銀納米線涂層達到了相對飽和的狀態。因此，透射率下降得逐漸緩慢。從視覺舒適度以及照明目的來看，此款高輻射冷卻竹材的透射率一直保持在合理的水平。
接著作者對銀納米線涂層厚度和輻射率的關系進行了分析。起初，在銀納米線涂層面和環氧樹脂面之間只能觀察到細微的差別（圖3）。但是，隨著銀納米線覆蓋層數的增加，銀納米線涂層面的輻射率低至0.3，而環氧樹脂面為0.95，導致了高達0.65的輻射率差。并且，銀納米線涂層不僅降低了響應面的輻射率，還增大了環氧樹脂面的輻射率。這是由于銀納米線涂層不僅具有低輻射率而且擁有高反射率。銀納米線涂層反射增強了環氧樹脂側的吸收，因此，面向室外的輻射率增加了。
此外，為了了解高熱輻射冷卻竹材在窗戶應用中的潛力，已在新加坡模擬了其年度節能性能，并將其與具有類似日光透射率的商業低輻射玻璃和傳統的3 mm硅基玻璃進行了比較（圖3）。在新加坡，高熱輻射冷卻竹材的全年節能性能都超過了商用低輻射玻璃。但此款節能玻璃需進一步提高其機械強度，這是課題組正在解決的問題。
圖3.
展開 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，導致當在整個光譜中平均時，它們的角選擇性變得適中，因此它們的平均(8?14 μm)發射率(εave)和角選擇性是名義的。因此尚未報道實質性的定向輻射冷卻效應。此外，定向熱發射器或輻射冷卻器的實際用途仍然不清楚。
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成果掠影
近期，華中科技大學胡潤副教授、韓國慶熙大學Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授團隊制備了一種寬帶定向輻射冷卻器，在p和s極化中都具有高振幅側發射。采用貝葉斯優化方法對其多維結構的變量進行優化，使目標光譜中的角選擇性和總半球發射率εT達到最大。用標準半導體工藝精確制造了該結構。利用能量-動量色散揭示了定向發射的基本物理原理，定向發射在多個特殊的epsilon波長處達到峰值。作者發現，由于溫室效應，全方位熱發射器在封閉系統中可能無效。相比之下，該研究團隊開發的側發射熱發射器即使在封閉系統中也能保持冷卻性能。此外，它還可以為靠近光電器件的用戶提供熱舒適。
展開 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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輻射冷卻的最新內容
從傳熱的角度分析，須考慮高溫氣體從內側的對流和輻射、冷卻空氣從外側的對流和輻射、內側氣膜冷卻，以及內襯固體材料，包括熱障涂層（Thermal Barrier Coatings）的熱傳導。
本文首先闡述了這些溫差導致的能量交換波段差異（維恩位移定律和熱力學第二定律），其次介紹了光熱材料（一般性光熱材料、光譜選擇性光熱材料）和輻射冷卻材料（日間輻射冷卻材料、夜間輻射冷卻材料）的理想光譜、材料種類以及能量轉換機制。這些理論為研究人員探索光熱技術和輻射制冷技術聯合應用提供充足的理論支持。
圖3.
馬里蘭大學杰出教授胡良兵（左）和助理研究科學家趙新鵬展示了一塊涂有新型輻射冷卻涂料的玻璃，圖片來源：馬里蘭大學
玻璃輻射鍍膜的其他優點包括：
在大氣透明度窗口中結合了高太陽反射率 （>96%） 和高紅外發射率 （95%）。
即使在高濕度條件下（高達 80%），中午和夜間也能分別降低約 3.5°C 和 4°C。
來源 | Nature Communications
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背景介紹
在過去的十年里，白天輻射冷卻(RC)取得了巨大的發展，它在陽光下實現了亞環境冷卻，而不消耗任何能源和排放溫室氣體。因此，它是傳統的能源密集型冷卻系統的一個有前途和可持續的替代方案。
此外，沉積在柔性PI襯底上的雙層膜比沉積在PDMS, PE, PMMA或TPX等上的現有輻射冷卻材料具有更好的熱穩定性和更高的拉伸強度。為實現柔性電子器件和航天器的高效輻射冷卻提供了有效的策略。
在碳中和大背景的推動下，輻射制冷巨大的節能減碳潛力受到研究者們的關注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節能減排潛力。由于我國建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應用于建筑物圍護結構外表面效果尤為突出，能夠起到良好的降溫效果，降低建筑物的冷負荷，從而減少空調系統能耗。
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
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太陽能加熱/制冷一體化系統
雖然在太陽能熱轉換和日間輻射冷卻方面已經做了大量的研究工作，但大多數報道的太陽能加熱或輻射冷卻系統是靜態的。因此材料的光學和熱學性能在設計完成后是固定不變的，只能在一定的氣候條件下滿足要求。然而，高度動態的天氣需要智能熱管理來在制冷和供暖之間切換，以應對各種環境條件。
然而，在高溫環境中，材料與環境之間的高溫差異會導致熱交換和導熱，從而削弱冷卻效果因此，開發輻射冷卻材料的另一個關鍵因素是降低導熱性。低導熱系數阻礙了通過直接傳導獲得大量熱量，但由于其固有的脆性和易開裂性，也給材料的加工和機械性能帶來了挑戰，這可能會損害結構的完整性和耐久性。因此，開發具有低導熱性的柔性和堅固的輻射冷卻材料對于輻射冷卻技術的實際應用至關重要。
該紡織品由輻射冷卻層、中間保溫層和輻射加熱層組成，其中多孔木質纖維素氣凝膠膜(LCAM)作為中間層，導熱系數低(0.0366 W/(m·K))，在寒冷天氣下保證較少的熱量損失，在炎熱天氣下阻擋外界熱量。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的引入提高了大氣窗口輻射冷卻層的熱輻射率(90.4%)，并賦予其完美的自清潔性能。
