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輻射制冷使無能耗散熱成為可能新材料助力戶外設(shè)備熱管理

2021-11-30 17:05:04來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：新材料閱讀量：3163

導(dǎo)讀：“熱輻射”作為熱傳遞的三種方式之一，近年來受到了越來越多的關(guān)注，“輻射制冷” 是一種被動(dòng)冷卻技術(shù)，憑借著可在無任何能耗的情況下降熱量散發(fā)到太空而成為熱門研究課題。

　　【儀器網(wǎng) 材料化工】進(jìn)入新世紀(jì)，各類小型中型大型機(jī)器設(shè)備365天一刻不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了前所未有的發(fā)展，而在生產(chǎn)高效的背后則是“善后”技術(shù)的低效，機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的熱量在大氣中“自由”地進(jìn)行著熱傳遞，進(jìn)一步加劇了溫室效應(yīng)。

　　說起“熱傳遞”，“熱輻射”作為熱傳遞的三種方式之一，近年來受到了越來越多的關(guān)注，“輻射制冷” 是一種被動(dòng)冷卻技術(shù)，憑借著可在無任何能耗的情況下降熱量散發(fā)到太空而成為熱門研究課題。

　　外太空是地球的理想熱沉能夠接收來自地球的熱量

　　根據(jù)經(jīng)典熱輻射理論，一切溫度高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物體都會(huì)以電磁波的形式向外發(fā)射能量。熱輻射可以將熱能以光速穿過真空，從一個(gè)物體傳到另一個(gè)物體，太陽傳遞給地球的熱能就是以熱輻射經(jīng)過宇宙而來的，所以將地球熱量通過熱輻射“發(fā)射”到外太空是理論上可行的。

　　太陽的溫度一般被認(rèn)為是6000K(開爾文，溫度單位)，地球的溫度是230K到300K，而外太空的溫度為3K(-270℃，接近絕對(duì)零度)，是一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的低溫端。外太空是地球的理想熱沉，通過輻射制冷，地球上的物體可實(shí)現(xiàn)與外太空直接換熱。

　　其實(shí)輻射制冷也普遍存在于大自然中，露珠的形成就是自然的輻射制冷的結(jié)果。夜晚近地空氣因長(zhǎng)波輻射冷卻到露點(diǎn)以下，其中所含的水汽在地面或近地物體上結(jié)成露珠，然而輻射制冷現(xiàn)象一般只在夜晚出現(xiàn)，這也就是為什么露珠出現(xiàn)的時(shí)間總在傍晚和清晨。

　　此前，已有科學(xué)家在夜間輻射制冷發(fā)電方面有了較大的突破，范鈴羚團(tuán)隊(duì)利用輻射制冷研制出熱電發(fā)生系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率為5%-8%，能夠?qū)崿F(xiàn)每平米超過 2W 乃至 3W 左右的功率密度，相比于此前背報(bào)道的相同原理的研究，其結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，足以為一些 LED 照明器件、模塊化傳感器等持續(xù)供電。

　　近日，上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心教授黃興溢與該校密西根學(xué)院教授鮑華基于輻射制冷技術(shù)，開發(fā)出一種具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料。據(jù)了解該材料的陽光反射率高達(dá)98%，能夠打破時(shí)間限制實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷，材料具備的高導(dǎo)熱特性可用于戶外機(jī)械設(shè)備的高效熱管理，能夠有效降低機(jī)械設(shè)備的溫度。

　　與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料的優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)的制冷技術(shù)是以蒸汽壓縮制冷技術(shù)為主，工作氣體主要有氨、二氧化碳和氟利昂等輕烴鹵代物，氣體制冷劑泄露造成的臭氧破壞、強(qiáng)溫室氣體直接排放使地球溫度進(jìn)一步升高，同時(shí)又加劇了制冷需求，如此形成一種惡性循環(huán)。

　　與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，輻射制冷技術(shù)運(yùn)用了自身材料的熱輻射特性，本身不需要任何能量輸入，是一種無耗能、無污染的理想制冷技術(shù)。且黃興溢團(tuán)隊(duì)研發(fā)的輻射制冷絕緣材料可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷，因此這一技術(shù)有望取代或補(bǔ)充傳統(tǒng)制冷技術(shù)。

　　設(shè)施、裝備在工作時(shí)自身的熱量是制冷技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用中繞不開的“大山”，研究人員設(shè)計(jì)的一種基于填充有聚合物基體的二維六方氮化硼(h-BN)介電納米板的可擴(kuò)展光子膜，將獨(dú)特的2D形狀與高折射率相結(jié)合，具有超高的后向光散射效率，使光子膜與傳統(tǒng)基體相比同時(shí)具有高太陽反射率(98%)和低熱阻，散熱能力更強(qiáng)。

　　據(jù)介紹，該材料制備工藝簡(jiǎn)單，無需開發(fā)新的工業(yè)化設(shè)備，可在原有設(shè)備的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，目前該團(tuán)隊(duì)已制備出數(shù)米長(zhǎng)的材料。在應(yīng)用方面，該材料除了可用于冷鏈物流、會(huì)展中心等傳統(tǒng)制冷場(chǎng)景，還可用于變壓器、5G基站等戶外電力設(shè)施的熱管理，甚至航天器的熱控薄膜也在其應(yīng)用范圍之內(nèi)。

　　作為一項(xiàng)綠色技術(shù)，制冷輻射不需要消耗能源，也不會(huì)排放溫室氣體造成環(huán)境負(fù)擔(dān)，對(duì)我國的生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。黃興溢團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制備出的高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，打破了傳統(tǒng)輻射制冷材料陽光反射率和導(dǎo)熱率的制約，進(jìn)一步拓展了輻射制冷材料的應(yīng)用場(chǎng)景，為進(jìn)一步推動(dòng)輻射制冷技術(shù)在戶外電力設(shè)備、電子器件中的熱管理應(yīng)用做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

　　后記：在后續(xù)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展上，材料的美學(xué)問題或許會(huì)被輻射制冷材料的研究團(tuán)隊(duì)提上日程，讓材料在上色后具有純白色材料一樣的制冷效果，是輻射制冷材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的需要解決的問題。

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