一種新的受甲蟲啟發(fā)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(xù)上升，面臨與高溫有關(guān)的疾病和死亡風險的人比以往任何時候都多。雖然空調(diào)似乎是一種解決方案，但使用這項技術(shù)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(chǎn)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(shè)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(fā)射熱輻射，從而實現(xiàn)無電自發(fā)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(chuàng)新。今天的CTT概述了最近發(fā)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(shù)來開發(fā)新的輻射涂層。
受甲蟲啟發(fā)的陶瓷涂層實現(xiàn)了近乎完美的太陽反射率
香港幾所大學的研究人員設(shè)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(jié)構(gòu)，其靈感來自Cyphochilus甲蟲。Cyphochilus甲蟲原產(chǎn)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(zhì)網(wǎng)絡(luò)，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(jīng)從Cyphochilus甲蟲中汲取靈感，以創(chuàng)造可持續(xù)和生物相容的超白涂層。但這項新研究通過創(chuàng)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(guī)模生產(chǎn)的工藝制造了陶瓷涂層。首先，他們將聚醚砜（PES）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和α-氧化鋁的溶液澆鑄到平坦的基板上，并將其浸入乙醇中，使NMP溶解。然后，他們燒結(jié)材料以去除PES，并以類似于Cyphochilus甲蟲鱗片的多孔圖案粘合氧化鋁顆粒。
除了創(chuàng)紀錄的 99.6% 的太陽反射率外，最終的氧化鋁涂層還表現(xiàn)出 96.5% 的紅外熱發(fā)射，并可承受超過 1,000°C （1,832°F） 的溫度。當應用于房屋屋頂時，該涂層將用于空間冷卻的電量減少了 20%。
受甲蟲啟發(fā)的不同顏色的陶瓷輻射涂層樣品，圖片來源：香港城市大學
陶瓷輻射涂層的其他特性包括
1、超低厚度，該涂層的厚度僅為 150 μm，即可實現(xiàn) 95% 以上的反射率。傳統(tǒng)的高性能屋頂冷卻涂料通常需要厚度大于 1 毫米。
2、機械強度高，該涂層表現(xiàn)出超過 100 MPa 的高機械強度（建筑圍護結(jié)構(gòu)至少需要 35 MPa）。
3、低反射率，該涂層在任何厚度的大氣窗口透射率范圍內(nèi)都具有低反射率，使其適用于涂覆混凝土和類似基材。
4、亞環(huán)境冷卻，即使在中午（上午 11 點至下午 2 點之間）左右，該涂層也能實現(xiàn) 4°C 以上的低于環(huán)境冷卻，與白色商業(yè)瓷磚相比，溫度更低。
5、要么親水，要么疏水，通過用有機硅化合物浸漬，涂層可以從超親水性（被水吸引）轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷裕ㄅ懦馑Ｍ繉拥倪@種變化只會導致太陽反射率的小幅下降。
6、對環(huán)境刺激有抵抗力，該涂層在用氟硅烷處理時可抵抗污染物，將太陽反射率保持在 97% 以上。該涂層還具有抗紫外線輻射和防火性能。
7、可回收利用，該涂層是可回收的，可以變成一種具有良好光學特性的新材料。
8、顏色選項，涂層可以使用雙層設(shè)計著色，同時大部分保留其反射特性。例如，黃色、紅色和綠色涂層在近紅外區(qū)域的反射率分別為 95%、96% 和 87%。
香港城市大學Chi Yan Tso在一份大學新聞稿中說：“[這項研究]證實了冷卻陶瓷在減少人們對傳統(tǒng)主動冷卻策略的依賴方面的巨大潛力，并為避免電網(wǎng)過載、溫室氣體排放和城市熱島提供了可持續(xù)的解決方案。該論文發(fā)表在《科學》雜志上，題目是“Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity”（DOI：10.1126/science.adi4725）。
微孔玻璃鍍膜即使在高濕度條件下也能實現(xiàn)溫度下降
馬里蘭大學（University of Maryland）和威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的研究人員使用一種基于溶液的工藝來制造一種微孔玻璃涂層，即使在高濕度條件下也能達到冷卻效果。
該溶液由懸浮在乙醇中的磷酸鹽玻璃顆粒（2-15μm）和α-氧化鋁納米顆粒（0.3-1.0μm）組成。玻璃顆粒作為非常規(guī)粘合劑形成堅固的多孔支撐框架，而氧化鋁顆粒則在制造過程中強烈散射光并防止多孔結(jié)構(gòu)致密化。
在約600°C下燒結(jié)后，玻璃顆粒形成互聯(lián)的介孔結(jié)構(gòu)，氧化鋁顆粒被玻璃包圍。掃描電子顯微鏡分析顯示孔隙率約為50%，平均孔徑為6.7 μm。測試確定氧化鋁顆粒的最佳質(zhì)量分數(shù)為 40-60 wt.%。涂層厚度需要大于 500 μm 才能實現(xiàn)大于 95% 的太陽反射率。
研究人員指出，該溶液的粘度可以針對不同的涂層技術(shù)進行修改，例如噴涂或刷涂，從而使涂層能夠以良好的附著力應用于各種基材，包括磚、瓷磚、金屬和玻璃。然而，太陽反射率取決于鍍膜方法。與刷涂式玻璃鍍膜相比，噴涂式玻璃鍍膜具有更粗糙、多孔的結(jié)構(gòu)，導致太陽反射率略低。在噴涂涂料中將氧化鋁質(zhì)量分數(shù)提高到約60 wt.%，在約500 μm的厚度下實現(xiàn)了超過96%的太陽反射率。
馬里蘭大學杰出教授胡良兵（左）和助理研究科學家趙新鵬展示了一塊涂有新型輻射冷卻涂料的玻璃，圖片來源：馬里蘭大學
玻璃輻射鍍膜的其他優(yōu)點包括：
1、在大氣透明度窗口中結(jié)合了高太陽反射率 （>96%） 和高紅外發(fā)射率 （95%）。
2、即使在高濕度條件下（高達 80%），中午和夜間也能分別降低約 3.5°C 和 4°C。
3、當應用于屋面時，每年可減少約10%的二氧化碳排放量，使舊建筑平均每年節(jié)省約350美元，新建筑平均每年節(jié)省約290美元。
4、即使暴露在惡劣的條件下，包括水、紫外線輻射、污垢和高溫火焰沖擊，也能保持高太陽反射率。
5、兼容具有不同軟化點（300°C 至 1,000°C）和介電顆粒（二氧化鈦、氧化鋅、氮化硼）的幾種不同玻璃組合。
6、可以摻入無機染料以產(chǎn)生粉紅色、綠色和黃色，同時保持 90% 至 95% 的太陽反射率特性。
“這是一項改變游戲規(guī)則的技術(shù)，它簡化了我們保持建筑物涼爽和節(jié)能的方式，”第一作者、馬里蘭大學助理研究科學家趙新鵬在大學新聞稿中總結(jié)道。研究人員成立了一家名為CeraCool的初創(chuàng)公司，以擴大玻璃鍍膜技術(shù)的規(guī)模并將其商業(yè)化。
標簽： 導熱界面材料 點擊： 評論: