如果能將被動輻射冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用到個(gè)人熱管理技術(shù)中，那么，人類將可以有效地抵御日益加劇的全球氣候變化。
在此，來自浙江大學(xué)馬耀光&華中科技大學(xué)陶光明等研究者，研究表明，得益于超構(gòu)織物中隨機(jī)分散散射體的分層形態(tài)設(shè)計(jì)，大型機(jī)織超構(gòu)織物可以提供高的大氣窗口發(fā)射率(94.5%)和太陽光譜反射率(92.4%)。相關(guān)論文以題為“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”于2021年07月08日發(fā)表在Science上。
1. 通過可擴(kuò)展的工業(yè)紡織制造路線，研究者的超纖維織物展現(xiàn)了卓越的機(jī)械強(qiáng)度、防水性和商業(yè)服裝的透氣性，同時(shí)保持了有效的輻射冷卻能力。
2. 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)表明，用該超構(gòu)織物覆蓋的人體溫度比用普通棉織物覆蓋的人體溫度低約4.8℃。
隨著全球變暖加劇，暴露在室外環(huán)境中的人們，更容易因過度熱應(yīng)激而患病。個(gè)人熱管理(Personal thermal management, PTM)是一種控制人體微氣候的技術(shù)，可以高效地實(shí)現(xiàn)人體的熱舒適。然而，目前PTM設(shè)計(jì)的能耗大、體積大等關(guān)鍵問題，還沒有得到解決。
輻射冷卻是一種很有前景的冷卻方法，通過大氣透明光譜窗(ATSW， λ~8-13 μm)將熱量直接輻射到外層空間。利用納米光子結(jié)構(gòu)(如多層光子結(jié)構(gòu)、超材料和隨機(jī)介質(zhì))的方法，同時(shí)通過引入太陽輻照抑制和增強(qiáng)發(fā)射的熱輻射，成功地產(chǎn)生了日間輻射冷卻裝置和系統(tǒng)。然而，大多數(shù)輻射冷卻結(jié)構(gòu)(薄膜、涂層、涂料等)仍然導(dǎo)致空氣/水滲透性較弱，耐磨性不佳，使得這些材料難以直接應(yīng)用于PTM系統(tǒng)。
研究人員已經(jīng)測試了各種類型的中紅外透明輻射冷卻紡織品。但是，為了保持足夠的MIR透光率，MIR透明結(jié)構(gòu)的厚度被嚴(yán)格限制在~150 μm以內(nèi)。太陽能的加熱阻塞和結(jié)構(gòu)韌性，使得其在這種厚度水平上變得具有挑戰(zhàn)性。相比之下，MIR-輻射紡織品的性能不依賴于下墊面的光譜，因此放寬了對厚度的限制。然而，目前關(guān)于MIR-輻射冷卻紡織品或纖維的研究還很少。
在此，研究者設(shè)計(jì)了一種用復(fù)合微纖維編織的多層超材料織物，它結(jié)合了分層設(shè)計(jì)的隨機(jī)超材料結(jié)構(gòu)，直接將輻射冷卻技術(shù)用于PTM應(yīng)用。
圖1. 超構(gòu)織物的結(jié)構(gòu)和模擬性能
超構(gòu)織物的結(jié)構(gòu)和模擬性能
如圖1A和B所示，層級形態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)制直接提供了一個(gè)可擴(kuò)展的光譜響應(yīng)，波長橫跨兩個(gè)數(shù)量級(0.3~25 μm)，并使超構(gòu)織物能夠共振抵制太陽能，并在MIR范圍內(nèi)強(qiáng)烈發(fā)射。該多層超濾織物，由氧化鈦-聚乳酸(TiO2-PLA)復(fù)合機(jī)織織物與薄的聚四氟乙烯(PTFE)層壓而成。頂層層壓設(shè)計(jì)為50 μm厚的聚四氟乙烯(PTFE)服裝薄膜，在服裝工業(yè)中廣泛應(yīng)用。
當(dāng)工作溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，選擇性發(fā)射器適用于輻射冷卻應(yīng)用。對于上述環(huán)境溫度場景，全MIR波段的有效發(fā)射都是有用的。因此，選擇具有C=O (1825~1725 cm-1)、-CH3 (1454.49 cm-1)、-CH (1382~1300 cm-1)、C-O (1042~1267 cm-1)和C-C (867.67 cm-1)鍵的聚乳酸微纖維，在MIR波段具有豐富的發(fā)射率。
研究者利用Lorenz-Mie理論和蒙特卡羅模擬的數(shù)值模型進(jìn)一步優(yōu)化了輻射冷卻性能。研究者選擇的納米粒子具有對數(shù)正態(tài)分布(μ= 6.2， σ2 = 0.2)，峰值直徑為400 nm，因?yàn)樗鼈兡茏畲蟪潭鹊靥岣呖椢锏恼陉栃阅?圖1C)。如此廣泛分布的納米顆粒，當(dāng)與聚四氟乙烯納米球結(jié)合時(shí)，在UV-VIS-NIR波段提供了廣譜散射和反射率(圖1D)。采用穩(wěn)態(tài)傳熱模型，在皮膚溫度為34°C和環(huán)境溫度為22°C的條件下，對超構(gòu)織物的輻射冷卻性能進(jìn)行了數(shù)值評估。在400 ~ 600 μm的厚度范圍內(nèi)，研究者觀察到一個(gè)凈冷卻功率平臺，在大約500 μm處，出現(xiàn)了最有效的冷卻行為(圖1E)。
通過實(shí)現(xiàn)亞纖維級的層次形態(tài)設(shè)計(jì)，研究者獲得的亞纖維織物的可伸縮制造具有極大的靈活性(圖2A)。超構(gòu)纖維(圖2B)表現(xiàn)出優(yōu)越的拉伸性能，伸長率為29.5%，斷裂強(qiáng)度為1.886 cN/dtex(圖2C)，其柔韌性和強(qiáng)度足以通過商用縫紉機(jī)縫合和刺繡(圖2D)。力學(xué)測試表明，該超構(gòu)織物(圖2E)可以承受~482 N的拉伸力和~20%的伸長率，與其他商品織物的力學(xué)性能相當(dāng)(圖2F)。超構(gòu)織物的疏水表面具有良好的防水性能(圖2G)，同時(shí)，仍保持了一定的透氣性。當(dāng)夾在空氣和水環(huán)境中時(shí)，超構(gòu)織物表現(xiàn)出連續(xù)的氣泡透光率和緊密的防水性能，這有利于傳統(tǒng)的熱交換機(jī)制和良好的耐磨性(圖2H)。
從研究者的分層形貌設(shè)計(jì)中，織物在太陽輻射區(qū)(0.3~2.5 μm)顯示出92.4%的寬帶反射率，在ATSW上的平均發(fā)射率為94.5%(圖2I)。4~25 μm的高發(fā)射率寬帶可以提供額外的冷卻功率，該超構(gòu)織物的工作溫度高于環(huán)境時(shí)使用的PTM場景。
圖3. 直接熱分析確定超構(gòu)織物的冷卻性能
在中國廣州晴朗的天空條件下，研究者通過直接熱測量證明了該超構(gòu)織物的室外輻射冷卻性能(圖3,A和B)。為了保證熱測量的準(zhǔn)確性和均勻性，每個(gè)織物樣品的溫度通過粘在銅板上的3個(gè)K-型熱電偶進(jìn)行監(jiān)測(圖3C)。在連續(xù)24小時(shí)的測量期間，超基織物的溫度始終低于環(huán)境溫度(圖3D)。此外，人體皮膚模擬器上測試了該超構(gòu)織物的輻射冷卻性能(圖3E)。在11:00-15:00的峰值太陽輻照度下，超構(gòu)織物的溫度分別比棉、氨綸、雪紡綢、亞麻和裸皮模擬溫度分別低約5.0°、6.8°、7.0°、5.8°和10.2°C(圖3F)。
圖4. 日光照射下超構(gòu)織物的實(shí)用表征
為了驗(yàn)證該超織物在實(shí)用場景中具有可伸縮、可穿戴的特性，研究者將一種商用棉織物和一種超織物縫在一起，制成了一件自制背心。
一名穿著該背心的志愿者，在陽光直射下躺了一個(gè)小時(shí)，研究者監(jiān)測了背心和志愿者的熱特性(圖4A)。熱攝像機(jī)(Fluke Ti400)顯示背心兩側(cè)的溫度差很大(34.4°和31.0°C)。粘在背心下的熱電偶也表明，不同織物覆蓋的身體部位之間的溫度差為~4.8℃(圖4B)。
為了重復(fù)性，在中國的西雙版納對輻射冷卻背心進(jìn)行了類似的測試。在半小時(shí)的測量過程中，背心的每一半表面逐漸呈現(xiàn)出明顯的溫差(圖4C)。令人驚訝的是，在脫下背心后，兩半身體顯示出了超過3℃的明顯溫差。另外，研究者分別用一個(gè)商用車罩、研究者自己的超構(gòu)織物和沒有覆蓋的三種汽車模型，測試超構(gòu)織物的冷卻性能(圖4A)。在90min的實(shí)驗(yàn)中，覆蓋了超構(gòu)織物的汽車模型的最大內(nèi)部溫度分別比沒有遮擋和有遮擋的模型低~30°和~27°C(圖4D)。
綜上所述，研究者的超構(gòu)織物表現(xiàn)出高效的散熱性能，并為PTM提供必要的透氣性和穿著舒適性。與薄膜或涂料等被動冷卻方式相比，這種編織結(jié)構(gòu)使超材料易于適應(yīng)復(fù)雜的變形(彎曲、拉伸和扭曲)，從而產(chǎn)生多種兼容性。此外，超織物可通過刺繡、裁剪和縫紉等手段，集成到不同場景的各種產(chǎn)品中，如服裝、帳篷、車罩、窗簾、遮陽篷等。對纖維結(jié)構(gòu)特性的進(jìn)一步優(yōu)化和探索，有望通過輻射冷卻和排汗蒸發(fā)的聯(lián)合作用提高冷卻效率。
S. Zeng et al., Science 10.1126/science.abi5484 (2021)
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484
原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/14/b21b995b6c/
-透明背底.png)
