一种具有竹荪生物仿生结构的高耐用、辐射冷却和隔热性能的柔性薄膜

热管理博览会 2023年12月12日浏览：1533 评论：2 收藏：5

来源 | ACS Applied Materials&Interfaces

背景介绍

近年来由于气候变化，高温等极端天气事件的频率有所增加。这些事件可对人类健康、基础设施和环境造成毁灭性影响。传统的冷却技术，如空调等传统冷却方法，加速导致温室气体排放，加剧了气候变化。辐射冷却技术已经成为一种很有前途的替代方案，它提供有效的冷却能力，不消耗电力，并且不会向环境中释放有害化学物质。这种新的冷却技术是通过反射太阳辐射并将红外辐射发射到寒冷的空间中来实现的。为了达到有效的冷却效果，材料在大气窗口波段(8 ~ 15 μm)具有高发射率，在太阳波段(0.3 ~ 2.5 μm)具有高反射率。

然而，在高温环境中，材料与环境之间的高温差异会导致热交换和导热，从而削弱冷却效果因此，开发辐射冷却材料的另一个关键因素是降低导热性。低导热系数阻碍了通过直接传导获得大量热量，但由于其固有的脆性和易开裂性，也给材料的加工和机械性能带来了挑战，这可能会损害结构的完整性和耐久性。因此，开发具有低导热性的柔性和坚固的辐射冷却材料对于辐射冷却技术的实际应用至关重要。

随着辐射冷却材料的发展，人们发现了多孔聚合物薄膜与传统的冷却材料相比它们的重量轻，柔韧性好，导热性低。此外，多孔聚合物薄膜通过操纵孔径和孔密度来控制传热的能力是一个关键优势。研究人员仍在探索如何优化多孔聚合物辐射冷却材料的孔径和孔密度，以达到最佳的冷却性能。

成果掠影

近期，复旦大学材料科学系胶体微球与涂料课题组武利民教授和游波教授针对开发具有低导热性的柔性辐射冷却材料取得最新进展。竹荪属鬼笔菌科，主要生长在中国四川，适宜生长温度为20 ~ 23℃。其茎的表面有明显的孔隙，在高倍显微镜下，很明显这些大孔隙是由更小的亚微孔组成的(图1) 。该团队受其多层多孔生物结构的启发，提出了一种新型的hollow@porous辐射冷却膜，该膜将中空微粒和多孔聚合物结合在一起。制备的hollow@porous柔性薄膜具有较高的太阳光反射率(93.7%)、较强的红外发射率(89.1%)和超低的导热系数(17.56 mW/mk)。实验表明，在峰值太阳强度为980 W/m²时，所制备的冷却器的日间冷却性能显著降低至17.4℃。此外，独特的hollow@porous结构还通过结合耐候性和自清洁特性加强了薄膜的长期耐用性，即使在恶劣的气候条件下也能确保稳定高效的辐射冷却性能。辐射冷却材料的进步为太阳能电池板、发动机部件、电子设备、新能源电池等的热管理、节能和冷却开辟了新的可能性。研究成果以“High-Durable, Radiative-Cooling, and Heat-Insulating Flexible Films Enabled by a Bioinspired Dictyophora-Like Structure”为题发表于《ACS Applied Materials&Interfaces》。

图文导读

图1. 竹荪独特的多层多孔生物结构示意图。

图2. 辐射冷却的仿生hollow@porous柔性薄膜的制备工艺流程图。

图3. (a) TPU、FPU、FTPU的FTIR光谱，(b) TPU和FTPU薄膜的反射率和发射率。

图4. (a) HTPs的SEM图像和(b) TEM图像，(c)高温高温颗粒分布，(d, e) FTPU−HTPs薄膜的SEM图像，(f) FTPU−HTPs薄膜截面的SEM图像，(g) FTPU、FTPU−HTPs10%、FTPU−HTPs20%和FTPU−HTPs30%的WCA和(h)反射率和发射率光谱。