輻射冷卻涂層
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
輻射冷卻涂層的實例教程
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。
展開 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。
展開 輻射冷卻是指物體通過反射太陽光和輻射散去熱能的過程，不需要損耗電能就能實現環境的被動降溫。問題在于，現有的輻射冷卻技術要么效果不好，要么不實用。而輻射冷卻技術的關鍵之一，在于表面涂層的性能。
有鑒于此，美國哥倫比亞大學N. Yu和Y. Yang團隊報道了一種操作簡單、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。
圖1. P(VdF-HFP)HP薄膜的制備和光學性能
材料的選擇：
P(VdF-HFP)具有優異的電磁性能，其作為被動輻射冷卻涂層具有以下幾個優勢，從而確保了P(VdF-HFP)可以在LWIR窗口有效輻射熱量。
1）在太陽光譜區域（λ = 0.3-2.5 μm）具有可以忽略的消光系數，使太陽光加熱降低到最小。
2）分子結構中不同的振動模式，導致在熱波長處具有多個消光峰。
3）具有優異的抗老化、防污、防紫外線能力。多孔結構使得薄膜更具疏水性能。
簡便的涂層制備方法：
研究人員以P(VdF-HFP)、水和丙酮混合物作為前驅體溶液（水不是溶劑，丙酮是溶劑），采用相轉化法制備得到多級次多孔聚合物膜，放置在于基底上然后在空氣中干燥。丙酮的快速蒸發導致P(VdF-HFP)從水中發生相分離，從而形成微納米尺度的液滴。水蒸干之后，富含微納米孔道結構的P(VdF-HFP)HP薄膜也就形成了。
值得一提的是，這種涂層可以通過類似刷墻的方式進行施工，對于實際應用極具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、噴涂等各種工藝，也適用于金屬、木材、塑料凳多種基材。除此以外，P(VdF-HFP)HP還可以做成穩固的科循環的片層材料。
圖2. P(VdF-HFP)HP光學性能
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。
02
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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輻射冷卻涂層的最新內容
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
來源 | ACS Applied Materials&Interfaces
01
背景介紹
近年來由于氣候變化，高溫等極端天氣事件的頻率有所增加。這些事件可對人類健康、基礎設施和環境造成毀滅性影響。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
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 | 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
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
來源 | Science Advances
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1837
01
背景介紹
隨著柔性材料和加工技術的發展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設備的“新載體”。運用柔性電子設備結合無線通信技術可以提高信號采集的準確性和多樣性
近日，新加坡
南洋理工大學的
龍祎博士團隊
以竹子為主要原料，開發了一種以節能為目標的高輻射冷卻透明材料，它結合了低輻射涂層和輻射冷卻，計算顯示其在熱帶地區有著優異的節能效果。
在發達的國家，超過40％的能源被建筑系統消耗，而其中大約一半的能源被供暖，通風和空調系統消耗。因此，減少建筑能耗已成為節能最有效，最實用的解決方案之一。
【引言】
為了降低能源成本、縮短運行時間、減少傳統制冷系統消耗臭氧和CO2排放，或在沒有電制冷的情況下提供緩解措施，采用具有凈制冷能力的廉價、環保的方法是可取的。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
P(VdF-HFP)HP薄膜的制備和光學性能
材料的選擇：
P(VdF-HFP)具有優異的電磁性能，其作為被動輻射冷卻涂層具有以下幾個優勢，從而確保了P(VdF-HFP)可以在LWIR窗口有效輻射熱量。
1）在太陽光譜區域（λ = 0.3-2.5 μm）具有可以忽略的消光系數，使太陽光加熱降低到最小。
2）分子結構中不同的振動模式，導致在熱波長處具有多個消光峰。
