輻射制冷材料的案例
天空輻射制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望
從發(fā)展歷程看，夜間輻射制冷自 20 世紀(jì)中葉起已有較多研究。但這些夜間輻射制冷材料難以同時(shí)滿足在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，且對(duì)太陽(yáng)輻射具有高反射率，因此限制了其在白天的應(yīng)用。隨著研究的深入，目前已設(shè)計(jì)出新材料或結(jié)構(gòu)可用于全天輻射制冷。本節(jié)對(duì)夜間和日間輻射制冷材料進(jìn)行了回顧，并對(duì)動(dòng)態(tài)輻射制冷材料的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。
2.1 夜間輻射制冷材料
夜間輻射制冷指在夜間達(dá)到低于環(huán)境溫度的冷卻，寬譜和選擇性輻射材料均可實(shí)現(xiàn)這一功能。夜間輻射制冷材料一般可分為: 1) 聚合物: PMMA、PVC、PPO 樹(shù)脂和其他復(fù)合高分子材料;2)無(wú)機(jī)薄膜:一氧化硅、二氧化硅、氮氧化硅和各類涂料(如 TiO2、BaSO4 等);3) 氣體:氨、環(huán)氧乙烷、乙烯或這些氣體的混合物。基于聚合物的夜間輻射制冷材料可由少量聚合物涂層以及下方的金屬層組成。聚合物涂層由紅外透射聚合物與納米粒子混合制備，通過(guò)改變納米粒子的濃度，可在整個(gè)“大氣窗口”內(nèi)調(diào)整吸收光譜。由硅基氮化物、氮氧化物和氧化物制造的無(wú)機(jī)薄膜可在中紅外波段實(shí)現(xiàn)高發(fā)射率。氣體通過(guò)分子拉伸和旋轉(zhuǎn)使分子在“大氣窗口”波段內(nèi)具有強(qiáng)烈的紅外吸收，使用氣體作為工質(zhì)的輻射制冷裝置具有無(wú)需額外傳熱流體的優(yōu)勢(shì)。
2.2 日間輻射制冷材料
由于太陽(yáng)輻射能量密度約為輻射制冷能量密度的 10 倍，這給輻射制冷的日間應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。近年來(lái)，得益于微納技術(shù)研究的進(jìn)展，使新型輻射制冷材料如光學(xué)薄膜材料、超材料及超表面、光子晶體等既具有高太陽(yáng)光譜反射率，又在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率的材料，得以實(shí)現(xiàn)日間輻射制冷。
以光子材料和超材料為代表的納米光學(xué)材料為日間輻射制冷的光學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)提供了新思路。
展開(kāi) 上海交大黃興溢教授、鮑華教授合作《AFM》：高導(dǎo)熱輻射熱制冷絕緣材料
電力裝備散熱，建筑制冷以及電子器件的熱管理消耗了大量的能源，這進(jìn)一步加劇了溫室氣體的排放，影響了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，世界各國(guó)的研究者們都在尋找新型、低能耗的冷卻技術(shù)。
輻射制冷是一種被動(dòng)制冷方式。其主要是利用地球與外太空（~3 K）之間的大氣透明窗口（波長(zhǎng)8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到外太空這一巨大的冷源之中。這也是維持地球熱平衡的一種機(jī)制。夜間的輻射制冷現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛的觀察與利用，如清晨露水的產(chǎn)生，以及古人在沙漠氣候環(huán)境制冰。然而，輻射制冷現(xiàn)象在白天很少出現(xiàn)，這是因?yàn)殛?yáng)光熱量的輸入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輻射制冷量，結(jié)果是加熱暴露在陽(yáng)光下的物體。近年來(lái)，隨著光子學(xué)的發(fā)展，研究者們通過(guò)構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)、聚合物–電介質(zhì)顆粒雜化超材料、層次多孔結(jié)構(gòu)等光子結(jié)構(gòu)，使材料反射了幾乎所有太陽(yáng)光，且在大氣窗口波段有著很強(qiáng)的紅外發(fā)射率，從而使日間輻射制冷技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。日間輻射制冷技術(shù)為我們提供了一個(gè)清潔的、無(wú)能耗的冷源，可用于建筑冷卻、食品保存、冷鏈運(yùn)輸?shù)取?問(wèn)題來(lái)了，可以將日間輻射制冷技術(shù)應(yīng)用于戶外電力裝備、電子設(shè)備的熱管理嗎？與制冷這一應(yīng)用場(chǎng)景不同，戶外電力裝備、電子設(shè)備不僅要面臨陽(yáng)光熱量的輸入，其自身還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為了使戶外電子電力設(shè)備維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷其外部熱量的輸入，還需要將其內(nèi)部熱量快速傳導(dǎo)、耗散。這就對(duì)現(xiàn)有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導(dǎo)熱率（低熱阻）。然而，傳統(tǒng)的輻射制冷材料不僅不具備高導(dǎo)熱率，甚至是具有超低導(dǎo)熱率的隔熱保溫材料。
展開(kāi) 一種高輻射制冷性能的雙選擇型熱發(fā)射體
該文設(shè)計(jì)并制備了一種可以同時(shí)利用兩個(gè)大氣窗口（8–13 μm和16–25 μm）來(lái)降溫的雙選擇型（Dual-selective）熱發(fā)射體作為高性能輻射制冷材料，并證明其在干旱炎熱氣候下具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有典型輻射制冷發(fā)射體的亞環(huán)境制冷性能（指降溫到環(huán)境溫度以下的能力），并具有很高的耐候性和色彩兼容性，提升了輻射制冷技術(shù)的降溫潛能，為其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用提供了可能。此外，當(dāng)在雙選擇型熱發(fā)射體樣品表明覆蓋不同顏色的彩色PE膜后，樣品仍體現(xiàn)出很高的亞環(huán)境制冷性能（如紅色和黃色），且明顯優(yōu)于彩色化后的商業(yè)涂料。表明雙選擇型材料還具有很高的彩色兼容性，有助于促進(jìn)輻射制冷材料的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。本工作從理論上提出并從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種具有更高制冷性能且可拓展的輻射制冷設(shè)計(jì)，也為將來(lái)設(shè)計(jì)更多高效熱管理材料提供了新的思路。研究成果以“A dual-selective thermal emitter with enhanced subambient radiative cooling performance”為題發(fā)表在《Nature Communications》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. 雙選擇輻射制冷模型的建立和理論計(jì)算。
圖2.雙選擇型輻射制冷熱發(fā)射體的分子-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能表征。
圖3. 雙選擇型熱發(fā)射體在沙漠環(huán)境下的制冷性能測(cè)試。
圖4. 雙選擇型熱發(fā)射體制冷功率測(cè)試，以及與常見(jiàn)商品屋頂材料的制冷性能比較。
圖5. 雙選擇型熱發(fā)射體的彩色化和彩色兼容性研究。
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展開(kāi) 天空輻射制冷規(guī)模化應(yīng)用對(duì)我國(guó)建筑的減碳作用研究
天空輻射制冷作為無(wú)額外能耗、無(wú)需制冷劑的利用外太空極冷環(huán)境的制冷技術(shù)，對(duì)于提升建筑可再生能源使用比例，緩解城市熱島效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。
天空輻射制冷現(xiàn)象普遍存在于自然界中，是沙漠夜間低溫的重要原因，但直到 20世紀(jì)50 年代人們才開(kāi)始深入研究輻射制冷并對(duì)其應(yīng)用潛力開(kāi)展較為系統(tǒng)的研究。尤其是近 10年來(lái)，隨著納米光學(xué)和超材料技術(shù)的發(fā)展，可以在白天實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的輻射制冷材料被制備出來(lái)。輻射制冷材料的深入研究也為大規(guī)模應(yīng)用輻射制冷技術(shù)提供了可能。在碳中和大背景的推動(dòng)下，輻射制冷巨大的節(jié)能減碳潛力受到研究者們的關(guān)注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽(yáng)能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節(jié)能減排潛力。由于我國(guó)建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應(yīng)用于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fù)荷，從而減少空調(diào)系統(tǒng)能耗。
在此基礎(chǔ)上，本研究綜合考慮到我國(guó)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)差異，以既有建筑作為輻射制冷實(shí)際應(yīng)用的載體，擬針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)、不同氣候條件分析在應(yīng)用天空輻射制冷技術(shù)后的運(yùn)行階段所能實(shí)現(xiàn)的減碳效果，以及該效果對(duì)我國(guó)碳中和目標(biāo)的預(yù)期貢獻(xiàn)。
02
成果掠影
本文研究了輻射制冷技術(shù)在我國(guó)建筑應(yīng)用的減碳預(yù)期，即降低建筑運(yùn)行階段碳排放的潛力。以《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)人口普查年鑒》為依據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前的總建筑存量面積，以及各省各建筑類型的存量面積。結(jié)果表明我國(guó)目前建筑存量面積約為 774.9 億m2，可按其用途大致分為城市住宅住宿用房、農(nóng)村住宅、廠房及倉(cāng)庫(kù)、辦公用房、科教文體娛用房、批發(fā)零售餐飲用房、其他建筑、居民服務(wù)業(yè)用房、醫(yī)療用房。
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) 受人體皮膚啟發(fā)的輻射制冷織物
02
成果掠影
近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教師程子明及博士生張?chǎng)纹剑槍?duì)目前輻射制冷技術(shù)在追求雙波段(太陽(yáng)波段和大氣窗口波段)光學(xué)特性和兼容多種應(yīng)用功能需求之間的權(quán)衡與挑戰(zhàn)，受人體皮膚表皮層和真皮層結(jié)構(gòu)的高效光學(xué)性能和防水透氣性能啟發(fā)，成功設(shè)計(jì)并制備出一種具有超高光學(xué)特性且兼具良好透氣性耐久性和柔韌性的高效仿生輻射制冷織物。通過(guò)引入光子板狀孔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了比Mie共振更強(qiáng)的后向散射。通過(guò)簡(jiǎn)單且可規(guī)模化的浸染工藝，制備出了具有97%太陽(yáng)光反射率和97%大氣窗口發(fā)射率的仿生輻射制冷織物。戶外測(cè)試表明，該制冷織物溫度明顯低于市面上無(wú)紡布、滌綸、亞麻布等白色布料，該織物在日間實(shí)現(xiàn)平均低于環(huán)境溫度5.2°C的溫降；穿戴使用該制冷織物制成的帽子，人體頭頂部溫度可比戴白色棉帽溫度低5.0°C；該制冷織物可廣泛應(yīng)用到戶外帳篷、車衣等領(lǐng)域。相關(guān)研究結(jié)果以“Scalable bio-skin inspired radiative cooling metafabric for breaking trade-off between optical properties and application requirements”為題發(fā)表于《ACS Photonics》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 受人體皮膚啟發(fā)的仿生輻射制冷織物的理論設(shè)計(jì)。
圖2 仿生輻射制冷織物的制備與表征。
圖3 仿生輻射制冷織物的戶外降溫測(cè)試。
圖4 仿生輻射制冷織物的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。
展開(kāi) 具有耐候性的超薄輻射制冷技術(shù)
來(lái)源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著溫室效應(yīng)的加劇，全球平均溫度逐年上升，使得人們對(duì)制冷的需求不斷增加。傳統(tǒng)的基于壓縮式的制冷方式（如：空調(diào)）往往是將熱量從室內(nèi)轉(zhuǎn)移到室外，并且需要消耗大量的能源，加劇了全球氣候變暖。因此，在當(dāng)今“雙碳”政策的背景下，如何有效降低生產(chǎn)生活中制冷所需的能耗已成為當(dāng)下的熱門研究方向，而輻射制冷技術(shù)作為一種零能耗、綠色環(huán)保的新型制冷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源以及保護(hù)環(huán)境的作用。然而在一些輻射制冷技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景中，如：將輻射制冷涂料涂在建筑物、通信基站等外表面實(shí)現(xiàn)日間被動(dòng)式制冷，這實(shí)現(xiàn)了很好的節(jié)能效果，但較厚的涂層，不僅會(huì)增加材料成本，而且會(huì)增加傳熱熱阻，對(duì)散熱產(chǎn)生影響；此外，由于涂層長(zhǎng)期暴露在室外，需要考慮其使用壽命，對(duì)戶外不同氣象參數(shù)下（如：下雨、灰塵等）具有較好的耐候性，從而保證其性能。對(duì)于日間輻射制冷涂層，其關(guān)鍵在于如何在有限厚度下實(shí)現(xiàn)較高的太陽(yáng)光反射和中紅外發(fā)射率，并具有良好的耐候性。
02
成果掠影
近期，中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院陳梅潔副教授、閆紅杰教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種超薄、可擴(kuò)展的耐候日間輻射制冷涂層。在該研究中，所設(shè)計(jì)的輻射制冷涂層在紫外線照射模擬、泥土污染模擬以及灰塵污染模擬實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐候性，在150 μm厚度下，涂層能夠?qū)崿F(xiàn)0.963的太陽(yáng)光波段平均反射率和0.927的中紅外波段平均發(fā)射率，表現(xiàn)出優(yōu)異的制冷性能；最后通過(guò)拓展到3D結(jié)構(gòu)上，耦合對(duì)流換熱過(guò)程，極大提升了涂層散熱性能，表明所設(shè)計(jì)的輻射制冷涂層在實(shí)際制冷與散熱應(yīng)用中的可行性。
展開(kāi) 研究 \\ 超細(xì)晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能
來(lái)源 | Materials Today
01
背景介紹
熱電( TE )技術(shù)作為一種綠色的工程解決方案，在小規(guī)模制冷和余熱回收方面越來(lái)越受到關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中，固態(tài)冷卻是其主導(dǎo)應(yīng)用，由于具有高可靠性和緊湊性、無(wú)噪音運(yùn)行、精確控溫等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)具有成熟的商用市場(chǎng)。除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運(yùn)以提高ZT。根據(jù)有效介質(zhì)理論，導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增加幾乎呈線性減小。如果電輸運(yùn)受到的影響較小，則可以凈增加功率因子與熱導(dǎo)率的比值PF / κ，從而獲得增強(qiáng)的ZT，這已經(jīng)在BiSbTe、SnTe和方鈷礦中實(shí)現(xiàn)。然而，納米級(jí)孔隙對(duì)熱電性能的作用目前仍存在爭(zhēng)議，因?yàn)樵谀承┣闆r下，電導(dǎo)率的降低速率比熱導(dǎo)率的降低速率快得多，這將導(dǎo)致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質(zhì)有關(guān)。
02
成果掠影
納米晶粒和孔隙作為兩種常見(jiàn)的微結(jié)構(gòu)缺陷，能夠阻礙聲子的傳輸。然而，迄今為止，納米晶粒在高溫下的穩(wěn)定性以及多孔性在提高熱電優(yōu)值ZT方面的可行性仍是熱電領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。近日，哈工大材料學(xué)院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學(xué)、中科院物理研究所組成的研究團(tuán)隊(duì)首次利用超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，在α-MgAgSb中設(shè)計(jì)的主要由納米晶區(qū)域內(nèi)的超細(xì)晶粒和隨機(jī)分布的孔隙組成的微結(jié)構(gòu)，在300?K時(shí)，產(chǎn)生了超低的晶格熱導(dǎo)率0.46?W/mK，突破了估計(jì)最小值的限制，為熱電制冷性能優(yōu)化提供了新思路。
展開(kāi) 北科《Scripta Mater》：磁、電場(chǎng)耦合作用增強(qiáng)材料可逆制冷能力！
磁制冷的應(yīng)用關(guān)鍵取決于所使用的材料，需要在較寬的制冷溫度范圍內(nèi)具有大型MCE，Gd5(Si,Ge)4化合物的發(fā)現(xiàn)極大地刺激了一級(jí)相變材料的發(fā)展，使其獲得了較大的熵變。過(guò)去二十年，一級(jí)相變材料如La(Fe, Si)13，MnFeP1-xAsx和Heusler合金，已被廣泛研究作為磁制冷的候選材料。特別是對(duì)具有一級(jí)馬氏體相變(MTs)的全d區(qū)金屬Heusler合金Ni50Mn50-yTiy和Ni50-xCoxMn50-yTiy已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，它們具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和大的熱效應(yīng)。這些類型的Heusler合金易于加工成所需形狀以提高熱交換能力，使其成為理想的固態(tài)制冷劑。
然而，與一級(jí)相變材料的固有特性相關(guān)的低可逆性和較窄的溫度跨度也存在于全d區(qū)金屬Heusler合金中，這是其在制冷領(lǐng)域商業(yè)化的長(zhǎng)期障礙。一級(jí)相變材料中MCE的可逆性很大程度上取決于熱滯寬度。因此，迫切需要尋求一種有效的解決方案來(lái)減少滯后損失。已有研究表明通過(guò)快速凝固制備的Ni50-xCoxMn5-yTiy薄帶可以增強(qiáng)MCE。因此，有必要找到調(diào)節(jié)Ni50-xCoxMn50-yTiy的滯后損耗的方法。
北京科技大學(xué)的研究人員通過(guò)將Ni37.5Co12.5Mn35Ti15薄帶與鐵電型Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3(PMN-PT)襯底相結(jié)合，提出了通過(guò)應(yīng)變介導(dǎo)的磁電耦合解決上述可逆性差的問(wèn)題。在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的耦合作用下，復(fù)合材料在室溫附近的可逆MCE可以有效增強(qiáng)，還可以擴(kuò)大可逆制冷溫度范圍，增加可逆制冷劑容量。
展開(kāi) 一種可量產(chǎn)的多功能輻射降溫材料
傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)降溫，但其運(yùn)行所需的制冷劑和電力嚴(yán)重加劇了溫室效應(yīng)和能源消耗，對(duì)綠色可持續(xù)發(fā)展構(gòu)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(shí)現(xiàn)降溫？輻射降溫技術(shù)是一種無(wú)需能量輸入的物理降溫技術(shù)，它通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光和中紅外波段光譜進(jìn)行選擇性精準(zhǔn)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)物體的無(wú)源持續(xù)降溫。該技術(shù)有助于緩解能源危機(jī)和溫室效應(yīng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。
近年來(lái)，關(guān)于輻射降溫材料的理論模型、基本原理和精準(zhǔn)成型的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。然而，如何通過(guò)豐富的原材料和成熟的工藝技術(shù)來(lái)制備輻射降溫材料或器件以滿足大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用需求仍有許多工作需要開(kāi)展。
02
成果掠影
近期，陜西科技大學(xué)薛朝華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)教授和華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)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(shè)計(jì)策略。該論文全面總結(jié)了可量產(chǎn)多功能輻射降溫材料的最新成果，旨在縮短基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)需求之間的差距，并進(jìn)一步展望了輻射降溫材料未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。該文章有望在基礎(chǔ)科學(xué)研究和實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之間架起一座橋梁，彌合基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)需求之間的差距，有效促進(jìn)輻射降溫材料或器件更好地服務(wù)于人類社會(huì)。相關(guān)研究成果以“Scalable multifunctional radiative cooling materials”為題發(fā)表于《Progress in Materials Science》。
展開(kāi) 一種間歇放熱相變材料，可用于地板輻射采暖系統(tǒng)的熱管理
圖4是將水合鹽凝膠應(yīng)用于地板輻射采暖系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了四種間歇放熱。結(jié)果表明，水合鹽凝膠在地板輻射采暖系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖 4 a)地板輻射采暖系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀)地板下輻射采暖系統(tǒng)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(tǒng)中3條并聯(lián)相變材料管線可實(shí)現(xiàn)4種不同的間歇放熱順序：一次放出全部熱量（c1）；連續(xù)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(shí)間，放熱過(guò)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(guò)用浸水剪刀切割黑色部分（稱為閥門）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。c2, d2, e2, f2)四個(gè)序列對(duì)應(yīng)的模型溫度曲線。
END
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展開(kāi) 
太陽(yáng)能光熱調(diào)控的策略及最新進(jìn)展
圖1 被動(dòng)輻射冷卻原理圖
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高效光熱調(diào)節(jié)的基本標(biāo)準(zhǔn)
合理設(shè)計(jì)具有優(yōu)異光熱調(diào)控性能的材料需要建立若干基本準(zhǔn)則，從該角度出發(fā)，作者在綜述中明確了光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)對(duì)于設(shè)計(jì)理想的光熱轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu)的至關(guān)重要性。其中，光學(xué)特性包括吸收系數(shù)、反射率、透射率等參數(shù)。因此為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光熱調(diào)控，必須對(duì)材料的吸收光譜進(jìn)行調(diào)控以吸收入射太陽(yáng)光。此外，系統(tǒng)中的熱流，即對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射，也是需要考慮的一個(gè)重要方面。
圖2 (a)分子振動(dòng)和(b)聲子極化共振的紅外發(fā)射示意圖; (c)對(duì)于不同k參數(shù)，折射率分布n (z)作為深度的函數(shù); (d)三角形漸變折射率圖。
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新興光熱調(diào)節(jié)材料與結(jié)構(gòu)
由于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的快速發(fā)展，各種光熱調(diào)控材料已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，作者基于不同的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理，在綜述中匯總了各種光熱調(diào)控材料，包括金屬材料、半導(dǎo)體、碳基材料、新興的碳化物/氮化物和聚合物。除上述材料外，超分子材料(卟啉)、陶瓷材料(TiN和ZrO2)、 MOFs等各類光熱轉(zhuǎn)換材料也在光熱處理、海水淡化、發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。另外，從被動(dòng)輻射制冷角度，設(shè)計(jì)材料不僅要反射大部分的入射光，還要在大氣窗口中具有強(qiáng)烈發(fā)射功能，目前已報(bào)道的輻射制冷材料可分為四類：多孔/顆粒分布聚合物薄膜、光子材料、天然木材和納米纖維薄膜。
圖3 納米纖維膜在光熱調(diào)控中的應(yīng)用。
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太陽(yáng)能加熱/制冷一體化系統(tǒng)
雖然在太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換和日間輻射冷卻方面已經(jīng)做了大量的研究工作，但大多數(shù)報(bào)道的太陽(yáng)能加熱或輻射冷卻系統(tǒng)是靜態(tài)的。因此材料的光學(xué)和熱學(xué)性能在設(shè)計(jì)完成后是固定不變的，只能在一定的氣候條件下滿足要求。
展開(kāi) 金屬凝固過(guò)程組織結(jié)構(gòu)演變的完美呈現(xiàn) | 同步輻射在金屬材料表征方面的應(yīng)用
在金屬材料領(lǐng)域，有一個(gè)關(guān)系一直被人們研究和利用，那就是成分-組織-性能關(guān)系。認(rèn)識(shí)清楚了該關(guān)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(rèn)識(shí)材料的微觀組織，揭示這一重要關(guān)系。
近百年來(lái)，科研人員聚焦金屬材料組織結(jié)構(gòu)的表征，發(fā)展起來(lái)了光學(xué)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(guò)材料截面的拋光與腐蝕，呈現(xiàn)金屬的微觀組織結(jié)構(gòu)并采用顯微鏡觀察和記錄。
即使在科技比較發(fā)達(dá)的今天，人們?cè)诜治鼋饘?em>材料的微觀組織結(jié)構(gòu)時(shí)大多還是大多使用二維圖像。然而，隨著人們對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷深入，越來(lái)越希望了解材料微觀組織結(jié)構(gòu)的三維特征，甚至?xí)r間特征。于是多種層析技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(rèn)識(shí)和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學(xué)問(wèn)題，如凝固過(guò)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(shí)間和溫度場(chǎng)等。由于問(wèn)題的復(fù)雜性，直到今天，人們也沒(méi)有完全認(rèn)識(shí)和徹底呈現(xiàn)凝固過(guò)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(fā)生在高溫，一般的表征手段是無(wú)法觀察金屬凝固過(guò)程的，同步輻射成為其中最有競(jìng)爭(zhēng)力的手段。
何為同步輻射
在過(guò)去的幾年里，材料研究的前沿領(lǐng)域取得了迅速的進(jìn)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(qiáng)大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過(guò)程，并擴(kuò)大我們對(duì)材料前沿的基本理解。
中國(guó)第一臺(tái)第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過(guò)14億元
同步輻射是相對(duì)論和超相對(duì)論電子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的輻射，是高能天體物理學(xué)中的主要過(guò)程。它最初是在早期的電子感應(yīng)加速器實(shí)驗(yàn)中觀察到的，在實(shí)驗(yàn)中電子首先被加速到超相對(duì)論能量，加速器發(fā)出強(qiáng)大X射線輻射。
展開(kāi) 