輻射冷卻涂層的案例
用于高效被動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 通過被動冷卻拯救地球：新型陶瓷和玻璃輻射涂層提供穩定性和可擴展性
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 多級次微納米多孔聚合物涂層大顯身手
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?；亩嗉壌味嗫拙酆衔?em>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?？梢圆捎盟⑼?、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 基于特殊Epsilon微腔的定向輻射冷卻
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 
具有超快光學調制的被動輻射冷卻智能窗
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。
展開 回收包裝塑料實現更環保的被動輻射冷卻
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 ～ 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 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
香港城市大學于欣格/雷黨愿團隊開發了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設備中的溫度，從而實現大于56°C的溫度降低。USRI的輕質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備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結果為在先進的皮膚界面電子設備中實現有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫療保健監測。該論文以“Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics”為題發表于《Science Advances》。
03
圖文導讀
圖1 USRI 的設計。
圖2 USRI的結構和光學表征。
圖3 用于皮膚電子設備中導電互連的被動冷卻。
圖4 可拉伸射頻無線皮膚電子產品的被動冷卻。
圖5 被動冷卻增強皮膚電子設備中的連續生理信號監測。
展開 南洋理工大學龍祎團隊：以節能為目標的高輻射冷卻透明竹材
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 一種具有竹蓀生物仿生結構的高耐用、輻射冷卻和隔熱性能的柔性薄膜
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。
02
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。
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