輻射冷卻的案例
一種具有竹蓀生物仿生結(jié)構(gòu)的高耐用、輻射冷卻和隔熱性能的柔性薄膜
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。
展開(kāi) 回收包裝塑料實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的被動(dòng)輻射冷卻
來(lái)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(tǒng)冷卻系統(tǒng)消耗的電力約占美國(guó)總電力消耗的10%，這導(dǎo)致環(huán)境中大量的溫室氣體排放，從而加速全球變暖。因此，當(dāng)前開(kāi)發(fā)一種環(huán)保節(jié)能的冷卻技術(shù)十分重要。被動(dòng)輻射冷卻（PRC）方法可以有效地反射太陽(yáng)光（0.3 ～ 2.5 μm），并通過(guò)大氣透明窗口（8 ～ 13 μm）向寒冷的外層空間（～3 K）發(fā)射紅外熱輻射。這些冷卻過(guò)程同時(shí)發(fā)生，且無(wú)需任何電力輸入，這為減少各種冷卻應(yīng)用中的能耗提供了絕佳的機(jī)會(huì)。近年來(lái)，人們提出了多種PDC結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了陽(yáng)光直射下冷卻，包括多層結(jié)構(gòu)、超材料、隨機(jī)分布顆粒結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)。盡管這些低溫冷卻結(jié)構(gòu)具有良好的性能，但其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程復(fù)雜且成本高昂，阻礙了其廣泛應(yīng)用。
目前，全球?qū)λ芰系男枨蟪掷m(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到每年4.17億噸。這也導(dǎo)致了塑料廢物急劇增加。促進(jìn)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(huán)境中，從而遏制環(huán)境污染。目前，機(jī)械回收是五種主要包裝塑料環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的主要工具：聚對(duì)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(jī)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(jī)械的策略來(lái)提高其回收價(jià)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(jié)構(gòu)的良好候選材料，然而，雖然打印紙具有被動(dòng)輻射冷卻特性，但其耐水性不足，使其無(wú)法靈活應(yīng)用。
展開(kāi) 南洋理工大學(xué)龍祎團(tuán)隊(duì)：以節(jié)能為目標(biāo)的高輻射冷卻透明竹材
竹材去木質(zhì)素及環(huán)氧樹(shù)脂填充前后的結(jié)構(gòu)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(xué)性能以及輻射率之間的關(guān)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(dāng)覆蓋更多銀納米線涂層后，透射率相應(yīng)的降低。然而，隨著銀納米線涂層數(shù)量的增加，銀納米線涂層達(dá)到了相對(duì)飽和的狀態(tài)。因此，透射率下降得逐漸緩慢。從視覺(jué)舒適度以及照明目的來(lái)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(duì)銀納米線涂層厚度和輻射率的關(guān)系進(jìn)行了分析。起初，在銀納米線涂層面和環(huán)氧樹(shù)脂面之間只能觀察到細(xì)微的差別（圖3）。但是，隨著銀納米線覆蓋層數(shù)的增加，銀納米線涂層面的輻射率低至0.3，而環(huán)氧樹(shù)脂面為0.95，導(dǎo)致了高達(dá)0.65的輻射率差。并且，銀納米線涂層不僅降低了響應(yīng)面的輻射率，還增大了環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)了環(huán)氧樹(shù)脂側(cè)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(yīng)用中的潛力，已在新加坡模擬了其年度節(jié)能性能，并將其與具有類似日光透射率的商業(yè)低輻射玻璃和傳統(tǒng)的3 mm硅基玻璃進(jìn)行了比較（圖3）。在新加坡，高熱輻射冷卻竹材的全年節(jié)能性能都超過(guò)了商用低輻射玻璃。但此款節(jié)能玻璃需進(jìn)一步提高其機(jī)械強(qiáng)度，這是課題組正在解決的問(wèn)題。
圖3.
展開(kāi) 基于特殊Epsilon微腔的定向輻射冷卻
來(lái)源 | ACS Nano
01
背景介紹
黑體輻射具有高度不對(duì)稱的連續(xù)光譜，完全依賴于表面溫度，導(dǎo)致在頻率或動(dòng)量域塑造熱發(fā)射光譜一度被認(rèn)為是難以捉摸的任務(wù)。納米光子學(xué)的進(jìn)步，使熱發(fā)射在動(dòng)量域和頻率域的調(diào)節(jié)成為可能。由于設(shè)計(jì)原理的復(fù)雜性，角度選擇熱發(fā)射比波長(zhǎng)選擇熱發(fā)射更具挑戰(zhàn)性。早期試圖將熱發(fā)射轉(zhuǎn)向某一方向的嘗試僅限于窄光譜或特定極化，導(dǎo)致當(dāng)在整個(gè)光譜中平均時(shí)，它們的角選擇性變得適中，因此它們的平均(8?14 μm)發(fā)射率(εave)和角選擇性是名義的。因此尚未報(bào)道實(shí)質(zhì)性的定向輻射冷卻效應(yīng)。此外，定向熱發(fā)射器或輻射冷卻器的實(shí)際用途仍然不清楚。
02
成果掠影
近期，華中科技大學(xué)胡潤(rùn)副教授、韓國(guó)慶熙大學(xué)Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授團(tuán)隊(duì)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(cè)發(fā)射。采用貝葉斯優(yōu)化方法對(duì)其多維結(jié)構(gòu)的變量進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)光譜中的角選擇性和總半球發(fā)射率εT達(dá)到最大。用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝精確制造了該結(jié)構(gòu)。利用能量-動(dòng)量色散揭示了定向發(fā)射的基本物理原理，定向發(fā)射在多個(gè)特殊的epsilon波長(zhǎng)處達(dá)到峰值。作者發(fā)現(xiàn)，由于溫室效應(yīng)，全方位熱發(fā)射器在封閉系統(tǒng)中可能無(wú)效。相比之下，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的側(cè)發(fā)射熱發(fā)射器即使在封閉系統(tǒng)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(kāi) 
具有超快光學(xué)調(diào)制的被動(dòng)輻射冷卻智能窗
來(lái)源 | Advanced Functional Materials
01
背景介紹
被動(dòng)輻射冷卻(PRC)材料能夠在零能量輸入的情況下，通過(guò)8~13 μm范圍內(nèi)的大氣透明窗口持續(xù)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(shè)備制冷、發(fā)電和水回收等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，超材料、無(wú)機(jī)多層結(jié)構(gòu)、納米粒子嵌入結(jié)構(gòu)、多孔聚合物薄膜等均被設(shè)計(jì)用于PRC領(lǐng)域，并且獲得了高效的PRC效率。為了應(yīng)對(duì)多變的天氣，制冷效率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)顯得尤為重要，但目前僅有少數(shù)能夠通過(guò)溫度或液體浸潤(rùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)PRC效率調(diào)節(jié)的相關(guān)報(bào)道。然而，這些動(dòng)態(tài)PRC材料的響應(yīng)性因素在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具有不可預(yù)測(cè)性以及不穩(wěn)定性，且切換速度非常有限。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，實(shí)現(xiàn)PRC材料冷卻效率的超快和穩(wěn)定按需控制是極其必要的，但具有挑戰(zhàn)性。
聚合物分散液晶(PDLC)內(nèi)部呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)電場(chǎng)能夠?qū)σ壕⒌闻c聚合物基質(zhì)間的折射率匹配性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜光學(xué)性能變化。由于制備簡(jiǎn)單且成本低，PDLC在動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)節(jié)窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，PDLC的聚合物基體在紅外區(qū)域具有特殊的化學(xué)鍵振動(dòng)，有望在大氣窗口范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的紅外熱發(fā)射，這在過(guò)去的研究中顯然被忽視了，有待于進(jìn)一步的探索。
展開(kāi) 用于高效被動(dòng)日間輻射冷卻的分層多孔聚合物涂層
替代能源密集型冷卻方法之一是被動(dòng)日間輻射冷卻(PDRC)——一種通過(guò)反射太陽(yáng)光[波長(zhǎng)（λ）~0.3至2.5μm]并通過(guò)大氣的長(zhǎng)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(fā)冷卻的現(xiàn)象。近幾十年來(lái)的研究已經(jīng)產(chǎn)生了多種PDRC設(shè)計(jì)，包括復(fù)雜的發(fā)射涂層，如光子結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、聚合物，以及金屬鏡上的聚合物-介質(zhì)復(fù)合材料。雖然效率很高，但這些設(shè)計(jì)成本高且易受腐蝕。
【成果簡(jiǎn)介】
今日，在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)虞南方助理教授和樣遠(yuǎn)助理教授（共同通訊作者）團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，與美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，報(bào)告了一種簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展且廉價(jià)的基于相轉(zhuǎn)化的工藝，用于制造具有優(yōu)異Rsolar和εLWIR 的分層多孔性的聚合物涂層。具體而言，實(shí)現(xiàn)了與襯底無(wú)關(guān)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(dǎo)致了極好的PDRC能力，例如，在890和750 W m-2的太陽(yáng)強(qiáng)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(bào)告中的相當(dāng)或超過(guò)之前的。因?yàn)橹圃旒夹g(shù)是基于室溫和溶液的，所以多孔聚合物涂層可以通過(guò)常規(guī)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(shí)現(xiàn)顏色和冷卻性能之間的理想平衡。涂層的性能和該技術(shù)的類似涂料的便利使其成為實(shí)現(xiàn)高性能PDRC的可行方法。
展開(kāi) 用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、輻射式冷卻界面
02
成果掠影
香港城市大學(xué)于欣格/雷黨愿團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種通用的熱管理策略，通過(guò)使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過(guò)輻射和非輻射傳熱來(lái)冷卻皮膚電子設(shè)備中的溫度，從而實(shí)現(xiàn)大于56°C的溫度降低。USRI的輕質(zhì)和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設(shè)備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動(dòng)冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩(wěn)定皮膚界面無(wú)線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結(jié)果為在先進(jìn)的皮膚界面電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無(wú)線操作的醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)。該論文以“Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics”為題發(fā)表于《Science Advances》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 USRI 的設(shè)計(jì)。
圖2 USRI的結(jié)構(gòu)和光學(xué)表征。
圖3 用于皮膚電子設(shè)備中導(dǎo)電互連的被動(dòng)冷卻。
圖4 可拉伸射頻無(wú)線皮膚電子產(chǎn)品的被動(dòng)冷卻。
圖5 被動(dòng)冷卻增強(qiáng)皮膚電子設(shè)備中的連續(xù)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。
展開(kāi) 一種用于節(jié)能建筑和人體熱管理的輻射制冷的纖維素材料
傳統(tǒng)的蒸汽壓縮冷卻策略，比如空調(diào)的制冷消耗了大量的化石燃料發(fā)電，導(dǎo)致碳排放增加，進(jìn)一步使全球氣候惡化。
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(wú)需任何能量輸入的條件下，在日間通過(guò)最小化太陽(yáng)能吸收實(shí)現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的降溫效果，這種零能高效的降溫方式為節(jié)能建筑、人體熱管理和太陽(yáng)能電池?zé)峁芾淼阮I(lǐng)域的發(fā)展提供新的策略和機(jī)遇。在這種背景下由于輻射冷卻材料可以自發(fā)地將熱輻射散發(fā)到寒冷的外層空間的優(yōu)越能力而成為目前研究的焦點(diǎn)。
最近開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)的功能材料和復(fù)雜的策略，通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺度上操縱光-物質(zhì)相互作用來(lái)促進(jìn)被動(dòng)、高效和可持續(xù)的輻射冷卻性能或先進(jìn)的熱管理。但是需要注意的是，這些輻射冷卻材料和結(jié)構(gòu)都是光學(xué)靜態(tài)的，無(wú)論環(huán)境變化如何，它們通常都是作為一種冷卻方式發(fā)揮作用。人們非常希望開(kāi)發(fā)出能夠根據(jù)需要在冷卻和加熱模式之間動(dòng)態(tài)切換的先進(jìn)輻射冷卻材料。
纖維素存在于許多常見(jiàn)的植物如棉花、木材和竹子中，也可以由細(xì)菌進(jìn)行分泌合成。細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）是一種由細(xì)菌分泌合成的纖維素材料。同時(shí)，BC還具有可大規(guī)模制備和純度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能電子、熱管理和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而，細(xì)菌纖維素材料應(yīng)用于輻射冷卻領(lǐng)域存在大氣窗口中紅外發(fā)射率較低，限制了其在輻射冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用。
02
成果掠影
近日，天津大學(xué)封偉教授、王玲教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位生長(zhǎng)技術(shù)成功開(kāi)發(fā)了具有太陽(yáng)光透過(guò)率可調(diào)特性的細(xì)菌纖維素基輻射冷卻材料。該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了生物合成細(xì)菌纖維素(BC)基輻射冷卻(Bio-RC)材料的設(shè)計(jì)和規(guī)模化制造，該材料具有可切換的太陽(yáng)透射率。該材料是通過(guò)在原位培養(yǎng)過(guò)程中將二氧化硅微球與連續(xù)分泌的纖維素納米纖維纏結(jié)而開(kāi)發(fā)的。
展開(kāi) 通過(guò)被動(dòng)冷卻拯救地球：新型陶瓷和玻璃輻射涂層提供穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性
來(lái)源 | The American Ceramics Society官網(wǎng)
一種新的受甲蟲啟發(fā)的陶瓷輻射涂層應(yīng)用于房屋屋頂，圖片來(lái)源：香港城市大學(xué)
隨著全球氣溫持續(xù)上升，面臨與高溫有關(guān)的疾病和死亡風(fēng)險(xiǎn)的人比以往任何時(shí)候都多。雖然空調(diào)似乎是一種解決方案，但使用這項(xiàng)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致氫氟碳化物和溫室氣體的排放，從而推動(dòng)氣候變化。因此需要其他不會(huì)產(chǎn)生任何排放的冷卻方法。
輻射涂層可以在不使用機(jī)械制冷設(shè)備的情況下提供被動(dòng)冷卻。這些涂層旨在反射太陽(yáng)輻射并向寒冷的外太空發(fā)射熱輻射，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)電自發(fā)冷卻。近年來(lái)，研究人員在輻射涂層方面取得了許多進(jìn)展，這在很大程度上要?dú)w功于微納加工方面的創(chuàng)新。今天的CTT概述了最近發(fā)表在《科學(xué)》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(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)新的輻射涂層。
受甲蟲啟發(fā)的陶瓷涂層實(shí)現(xiàn)了近乎完美的太陽(yáng)反射率
香港幾所大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的陶瓷輻射涂層，其太陽(yáng)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(jié)構(gòu)，其靈感來(lái)自Cyphochilus甲蟲。Cyphochilus甲蟲原產(chǎn)于東南亞，被認(rèn)為是地球上最白的昆蟲。它的著色是由于覆蓋甲蟲整個(gè)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(gè)高度連接且致密的幾丁質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，即一種長(zhǎng)鏈聚合物，可為甲殼類動(dòng)物、昆蟲的外骨骼和真菌的細(xì)胞壁提供強(qiáng)度。甲殼素的散射效率極高，導(dǎo)致超白外觀。
以前的研究，例如這里，已經(jīng)從Cyphochilus甲蟲中汲取靈感，以創(chuàng)造可持續(xù)和生物相容的超白涂層。但這項(xiàng)新研究通過(guò)創(chuàng)造一種既美觀又實(shí)用的涂層，將這一靈感向前推進(jìn)了一步。
香港研究人員通過(guò)一種可以很容易地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的工藝制造了陶瓷涂層。
展開(kāi) 《Science》不插電不燒油給地球降溫！多級(jí)次微納米多孔聚合物涂層大顯身手
P(VdF-HFP)HP涂層的通用性
優(yōu)異的輻射冷卻性能：
由于微納米孔道結(jié)構(gòu)的存在，薄膜具有極佳的反向散射太陽(yáng)光和增強(qiáng)熱輻射的能力。研究發(fā)現(xiàn)，厚度大于300μm，孔隙度超過(guò)50%的P(VdF-HFP)HP薄膜半球?yàn)?.96， 為0.97。當(dāng)厚度大于500μm時(shí)，可以達(dá)到0.98以上。超高的值確保了對(duì)太陽(yáng)光的有效反射，并避免了之前設(shè)計(jì)中廣泛使用的銀反光器。
在太陽(yáng)光強(qiáng)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(dòng)輻射冷卻技術(shù)。
圖4. P(VdF-HFP)HP輻射冷卻性能
總之，這項(xiàng)研究利用相轉(zhuǎn)化法開(kāi)發(fā)了一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可規(guī)模化的多級(jí)次多孔聚合物涂層制備方法，實(shí)現(xiàn)了高效率的被動(dòng)輻射冷卻性能，為更宜居的生活環(huán)境，更節(jié)能環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到了重要推動(dòng)作用！
參考文獻(xiàn)：
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/26/science.aat9513?rss=1
來(lái)源：納米人
展開(kāi) 一種可量產(chǎn)的多功能輻射降溫材料
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 輻射降溫材料或器件的基本原理、設(shè)計(jì)策略、多功能化及應(yīng)用
圖2 基于強(qiáng)熱紅外發(fā)射材料與高太陽(yáng)反射金屬集成的輻射冷卻器設(shè)計(jì)策略
圖3 高太陽(yáng)反射率多孔結(jié)構(gòu)日間輻射冷卻器的設(shè)計(jì)策略
圖4 光纖紡絲處理多孔結(jié)構(gòu)日間輻射冷卻器的設(shè)計(jì)策略
圖5 目前的設(shè)計(jì)策略的日間輻射冷卻器通過(guò)粒子包埋過(guò)程的高太陽(yáng)反射率
圖6 當(dāng)前高太陽(yáng)反射率日間輻射冷卻器的設(shè)計(jì)策略
圖7 當(dāng)前通過(guò)其他方法設(shè)計(jì)具有多孔結(jié)構(gòu)的日間輻射冷卻器的設(shè)計(jì)策略
圖8 具有優(yōu)良的自清潔性能的多功能日間輻射冷卻器
END
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展開(kāi) 
夏日的清涼—全天候人體冷卻織物
來(lái)源 | Nature Sustainability
01
背景介紹
廣泛使用空調(diào)等主動(dòng)冷卻系統(tǒng)消耗大量能源，約占全球用電量的15%。被動(dòng)輻射制冷是一種新興的制冷技術(shù)，通過(guò)大氣窗口(8-13μm)將輻射熱量傳遞到溫度較低的周圍環(huán)境，輻射冷卻技術(shù)在個(gè)人熱管理方面顯示出巨大的潛力。因此各種輻射冷卻紡織材料已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)用于不同環(huán)境下的人體冷卻，包括室內(nèi)和室外。基于此，目前平衡人體相容性(無(wú)害和舒適)和高冷卻性能仍然是開(kāi)發(fā)個(gè)人輻射冷卻熱管理織物的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，當(dāng)此類材料用于室內(nèi)環(huán)境，且不存在向外空間傳遞輻射熱量的通道時(shí)，冷卻性能會(huì)受到很大影響。即使在室外，在陰天，大氣窗口也可能部分或完全被阻擋，導(dǎo)致冷卻性能大幅下降。因此，為了設(shè)計(jì)一種能夠在各種室外(包括晴天和陰天條件)和室內(nèi)環(huán)境下支持高冷卻性能的輻射冷卻紡織品，精確調(diào)整材料在多個(gè)波長(zhǎng)波段(包括MIR的大氣窗口、非窗口和太陽(yáng)波段)的光學(xué)特性是至關(guān)重要的也是面臨的挑戰(zhàn)之一。
02
成果掠影
近期，清華大學(xué)張如范副教授與南京大學(xué)朱嘉教授聯(lián)合報(bào)道了一種聚甲醛（POM）納米織物設(shè)計(jì)，它不僅實(shí)現(xiàn)了大氣窗口（8-13μm）的選擇性發(fā)射，而且還顯示了剩余中紅外波段的透射和太陽(yáng)光（0.3-2.5μm）的反射。因此，POM紡織品在室外(晴天和陰天條件下)和室內(nèi)(比典型紡織品低0.5-8.8°C)都能實(shí)現(xiàn)有效的人體輻射冷卻。此外，紡織品的設(shè)計(jì)顯示出良好的可穿戴性，并且在用作防護(hù)服時(shí)優(yōu)于其商業(yè)同類產(chǎn)品。POM材料提供室內(nèi)和室外人體冷卻，并為下一代智能紡織品的合理設(shè)計(jì)和其他支持可持續(xù)性的應(yīng)用引入了新的可能性。
展開(kāi) 一種新型輻射致冷薄膜
因此，輻射冷卻作為一種節(jié)能的散熱技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。在過(guò)去的幾年中，各種RC薄膜被報(bào)道用于被動(dòng)日間輻射冷卻(PDRC)，其重點(diǎn)是有效地阻擋太陽(yáng)輻照并在大氣透射窗口(8 - 13 μm)內(nèi)強(qiáng)發(fā)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(fā)電、和個(gè)人熱管理等實(shí)際應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。關(guān)于PDRC薄膜用于冷卻電子器件的報(bào)道很少。著名的10°C規(guī)則指出，電子設(shè)備的可靠性與溫度密切相關(guān);當(dāng)溫度高于80℃時(shí)，每升高10℃，可靠性降低50%。因此，冷卻電子設(shè)備是極其重要的。對(duì)于這種應(yīng)用，調(diào)節(jié)所需溫度對(duì)應(yīng)的輻射冷卻膜的輻射波長(zhǎng)區(qū)域(發(fā)射率)，使其在特定的工作溫度范圍內(nèi)達(dá)到自熱和換熱的平衡溫度是一種有效的策略。同時(shí)，復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)和精細(xì)的微納米結(jié)構(gòu)限制大面積生產(chǎn)，增加成本或延長(zhǎng)加工時(shí)間。因此，在較寬的熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，很難實(shí)現(xiàn)可控的寬帶紅外輻射。
02
成果掠影
近期，北京航空航天大學(xué)王聰教授和孫瑩教授聯(lián)合開(kāi)發(fā)制備了在中紅外3.5 ~ 20 mm范圍內(nèi)超寬帶紅外輻射特性可調(diào)的柔性雙層膜，且相應(yīng)的輻射峰均具有較高的平均發(fā)射率。本文通過(guò)阻抗匹配設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的TiN/Si雙層薄膜，該薄膜的熱輻射波長(zhǎng)為3.5 ~ 20μm，具有可控的寬帶輻射峰。同時(shí)，在不同溫度下應(yīng)用于鋁器件的不同雙層膜表現(xiàn)出出色的散熱效率，并保持相應(yīng)的平衡溫度，確保器件長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。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(xiàn)有輻射冷卻材料具有更好的熱穩(wěn)定性和更高的拉伸強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)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。
展開(kāi) 動(dòng)態(tài)雙面神行為：在地球-太陽(yáng)/太空系統(tǒng)的被動(dòng)式冷-熱調(diào)控
(2) 光熱轉(zhuǎn)換與輻射制冷機(jī)制：
被動(dòng)式太陽(yáng)能加熱和輻射冷卻的應(yīng)用，作為具有動(dòng)態(tài)雙面神行為的典型示例，通過(guò)材料太陽(yáng)光吸收和紅外發(fā)射光譜的有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)地球和太陽(yáng)/太空之間的能量選擇性傳遞。這種應(yīng)用滿足工作流程可逆（例如地面物體的溫度可調(diào)節(jié)），并且能量流向不同（例如，升溫即太陽(yáng)向地面物體傳遞熱量；降溫即地面物體向太空傳遞熱量），協(xié)同研究從而有助于能量的高效利用。因此，太陽(yáng)/太空-地球之間能量傳遞軌跡分析至關(guān)重要。地球表面（約300K）、太陽(yáng)（約5700K）和太空（3K）之間的巨大溫差作為能量的傳遞驅(qū)動(dòng)力。本文首先闡述了這些溫差導(dǎo)致的能量交換波段差異（維恩位移定律和熱力學(xué)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(zhuǎn)換機(jī)制。這些理論為研究人員探索光熱技術(shù)和輻射制冷技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用提供充足的理論支持。
圖3. 冷熱調(diào)控的能量流動(dòng)軌跡以及對(duì)應(yīng)材料的理想光譜
(3) 光熱轉(zhuǎn)換與輻射制冷應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比：
太陽(yáng)加熱和輻射冷卻技術(shù)在水資源獲取、發(fā)電、智能服裝、溫控建筑物、智能窗戶、防結(jié)冰及冰川保護(hù)和農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。本文全面地闡述了在不同應(yīng)用條件下加熱、制冷以及動(dòng)態(tài)冷熱調(diào)節(jié)的相關(guān)研究工作并且詳細(xì)分析其光譜調(diào)控方式。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，其在保持太陽(yáng)加熱（高太陽(yáng)光吸收率）和輻射冷卻（高紅外發(fā)射率）調(diào)控基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)專有屬性的調(diào)節(jié)。例如，衣服的不透光性和玻璃的透光性需要考慮材料在可見(jiàn)光區(qū)域的透光率調(diào)控。最后，不同應(yīng)用的材料光譜調(diào)控基礎(chǔ)上，其穩(wěn)定性、耐腐蝕性和機(jī)械性能也需要考慮在內(nèi)。
圖4. 冷熱調(diào)控材料的機(jī)制以及不同季節(jié)大氣層透過(guò)率對(duì)比
圖5.
展開(kāi) JOS模型及在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用
算例
SC/Tetra對(duì)三種空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬他們分別是（如圖1）：
1） 對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)室內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)；
2） 對(duì)流空調(diào)和個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合；
3） 個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)和輻射冷卻相結(jié)合。
2.1. SC/Tetra對(duì)三種空調(diào)系統(tǒng)的模擬
從模擬結(jié)果中可以看出：
1） 對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)室內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)的結(jié)果中，在人體周圍的速度是非常慢的，整個(gè)房間的溫度比較低；
2） 對(duì)流空調(diào)和個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的結(jié)果中可以看到，由于使用個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)，人周圍的風(fēng)速比較快；
3） 個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)和輻射冷卻相結(jié)合的模擬結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)由于冷輻射的作用，房頂?shù)臏囟群艿汀２⑶胰松眢w的溫度可以被有效的降溫。
2.2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，可以得到與SC/Tetra相同的結(jié)果，也就是第三種空調(diào)系統(tǒng)（個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)和輻射冷卻相結(jié)合）可以更有效的降低人體溫度。
3. 總結(jié)
在研究和發(fā)展冷輻射或者個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)的過(guò)程中，最主要的問(wèn)題是如何使用一定的能量去有效的降低人體的溫度。SC/Tetra可以滿足用戶使用JOS模型對(duì)工作環(huán)境中空調(diào)系統(tǒng)的模擬。有效的分析能夠計(jì)算出冷輻射和空調(diào)系統(tǒng)分別對(duì)身體的哪個(gè)部分進(jìn)行有效的制冷。個(gè)人空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)保持在一個(gè)很重要的領(lǐng)域，作為一個(gè)強(qiáng)有力的分析軟件，SC/Tetra將會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域起到關(guān)鍵性作用。
JOS模型及在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf
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