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我司冷熱臺產(chǎn)品服務(wù)于：國防科技大學(xué)劉東青教授/程海峰教授團隊CEJ：具有高光譜選擇性的梯度納米多孔輻射制冷陶瓷的研究項目

發(fā)布時間：2024-11-12      點擊次數(shù)：280
該研究通過設(shè)計具有梯度多孔結(jié)構(gòu)的MgO陶瓷，以優(yōu)化其在0.3~25 μm波段范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)。
① 材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化：研究提出了具有梯度結(jié)構(gòu)的MgO陶瓷，通過表面密度和內(nèi)部多孔性差異實現(xiàn)高效太陽光反射和選擇性紅外輻射。在8~13 μm的大氣窗口內(nèi)提供高發(fā)射率，而在2.5~8 μm和13~25 μm波段內(nèi)抑制紅外輻射，減少額外熱量傳遞。

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圖1. 輻射制冷的基本原理。(a) 輻射制冷材料表面的熱流示意圖。Psolar為太陽輻射的吸收；Prad為制冷材料的向外紅外輻射；Patm為向下大氣輻射的吸收。忽略了導(dǎo)熱和對流傳熱。(b) 寬譜輻射制冷材料（BRCM）和光譜選擇性輻射制冷材料（SRCM）的理想光譜反射率和發(fā)射率，與標(biāo)準(zhǔn)化的ASTM G173太陽光譜和MODTRAN的熱帶大氣傳輸對比。(c) BRCM和大氣的光譜輻射強度分布。(d) 假設(shè)總傳熱系數(shù)為 3 W/m2?K、環(huán)境溫度為 300 K的條件下，冷卻功率與環(huán)境溫差的關(guān)系。

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圖2. 制冷陶瓷的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。(a) 不同無機介電材料中空氣孔的散射效率，孔徑為1000 nm。(b) MgO的紅外光學(xué)常數(shù)。(c) 理想MgO材料的紅外反射率。(d) 梯度納米多孔陶瓷的照片。(e) 梯度納米多孔MgO陶瓷示意圖。陶瓷內(nèi)部的納米孔在太陽光波段（0.3~8 μm）提供強烈的散射反射。MgO的聲子吸收在8~13 μm波段提供強紅外發(fā)射。陶瓷的致密表面在13~25 μm范圍內(nèi)生成強烈的Reststrahlen反射。(f) 不同孔徑在0.25~8 μm波長范圍內(nèi)的空氣孔在MgO介質(zhì)中的單孔散射效率模擬。MgO的折射率由前人研究提供。(g) 孔徑和孔隙率對制冷陶瓷太陽反射率（Rsolar）和長波紅外窗口發(fā)射率（εMIR）的影響。在白色高亮區(qū)域內(nèi)，陶瓷同時表現(xiàn)出高反射率和高發(fā)射率特性。(h) 孔隙率對制冷陶瓷Reststrahlen帶的影響。隨著孔隙率的增加，Reststrahlen帶的強度降低。


② 材料制備與表征：利用簡單的干壓成型和無壓燒結(jié)工藝制備MgO陶瓷，形成表面密實、內(nèi)部多孔的結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（SEM）、計算機斷層掃描（CT）等表征技術(shù)顯示，該梯度結(jié)構(gòu)在表層以下50微米處達(dá)到穩(wěn)定的多孔性，內(nèi)部孔徑分布在100~1000 nm之間。

③ 光學(xué)性能與制冷能力測試：通過室外測試，驗證了材料在不同氣候條件下的制冷效果。測試結(jié)果表明，該材料在濕熱環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的日間和夜間降溫效果。進一步的能源模擬表明，材料在高溫高濕環(huán)境下每平方米可節(jié)省9.48 MJ的制冷能耗。

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圖3. 制冷陶瓷的結(jié)構(gòu)特性和光譜性能。(a) 壓力無燒結(jié)工藝獲得的陶瓷截面顯微圖，展示了致密的表面和多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(b) 不同工藝參數(shù)下陶瓷的內(nèi)部孔隙率和孔徑。紅色陰影區(qū)域內(nèi)的陶瓷顯示5%~15%的孔隙率和100~1000 nm的孔徑，與理論設(shè)計一致。(c) 不同工藝參數(shù)下陶瓷和已報道高性能SRCM的光譜性能。(d) 通過CT測得的從表面到內(nèi)部的孔隙率變化。孔隙率隨深度梯度增加并在約50 μm處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。餅狀圖展示了陶瓷內(nèi)部不同尺寸孔的數(shù)量分布。(e) 制冷陶瓷表面（頂部）和內(nèi)部（底部）的SEM圖像和反向極性圖（EBSD-IPF Z0），未見顯著顏色優(yōu)勢表明不存在主要紋理。(f) 制冷陶瓷內(nèi)部孔徑的尺寸分布。(g) 制冷陶瓷的光譜反射率和發(fā)射率，與太陽光譜和熱帶大氣傳輸對比。(h) 制冷陶瓷的太陽反射率Rsolar(θ)和長波紅外發(fā)射率εLWIR(θ)隨入射角的變化。

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圖4. 制冷陶瓷的室外輻射制冷測試。(a) 輻射制冷測試系統(tǒng)。(b) 用于測量輻射制冷溫度和制冷功率的泡沫盒示意圖。(c-e) 2024年3月11日11:00至14:00的室外測量結(jié)果。(f-h) 2024年3月12日1:00至4:00的室外測量結(jié)果。(c)(f) 相對濕度（RH）和風(fēng)速。(d)(g) 室外測量的制冷陶瓷和環(huán)境溫度。(e)(h) 制冷陶瓷與環(huán)境的溫差及制冷功率。


④ 耐久性與清潔能力評估：該陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性，抗紫外線和酸蝕能力強，適合長期戶外使用。其表面高密度結(jié)構(gòu)使其具備良好的自清潔特性，雨水沖刷后能恢復(fù)其制冷性能，有助于降低維護成本。

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圖5. 制冷陶瓷的制冷潛力與自清潔能力。(a) 最近報道的高性能輻射制冷材料與本研究中制冷陶瓷的制冷潛力。太陽反射率（Rsolar）和長波紅外發(fā)射率（εLWIR）通常表示制冷功率，而光譜選擇性用于評估制冷溫度和全天輻射制冷能力。(b) 制冷陶瓷在白天和夜晚的空間制冷機制。黃色箭頭表示反射的陽光，藍(lán)色箭頭表示通過長波紅外窗口的熱輻射，紅色箭頭表示來自大氣和周圍環(huán)境的輻射反射。(c) 白天和夜間已報道SRCM和制冷陶瓷的最大降溫溫度（Tmax）和最大制冷功率（Pmax）。(d) 實施制冷陶瓷前后，不同氣候區(qū)大型辦公樓年度總供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）能耗變化。(e) 液滴的接觸角。(f) 受墨水污染的制冷陶瓷的自清潔能力。

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小結(jié)：該研究開發(fā)的梯度納米多孔MgO輻射制冷陶瓷，結(jié)合了結(jié)構(gòu)散射、聲子吸收和Reststrahlen效應(yīng)，實現(xiàn)了太陽反射率0.96和紅外發(fā)射率0.95的高光譜選擇性。其制冷能力在濕熱環(huán)境中表現(xiàn)突出，且具備優(yōu)異的機械性能和環(huán)境耐受性。此外，該材料的簡單制造工藝和自清潔能力使其具備大規(guī)模應(yīng)用于建筑降溫的潛力，為解決當(dāng)前的能源危機和緩解溫室效應(yīng)提供了可能的路徑。


論文信息：Wang X, Liu D, Wan Z, et al. A gradient nanoporous radiative cooling ceramic with high spectral selectivity[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 157344.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157344