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给辐射冷却涂层来点颜色-岩拓气凝胶

给辐射冷却涂层来点颜色

冷却建筑物,车辆和数据中心等地面物体是我们今天面临的关键挑战。冷却通常需要大量能源,因为基于压缩器的冷却器会消耗大量电能。使用太阳光反射和热辐射表面是一种在阳光下冷却物体的可持续方式。但是,这些白色或银色的表面不能满足人们对颜色的需求。为了解决这个问题,人们对彩色辐射冷却器(CRC)进行研究。CRC可以选择性吸收可见光谱的一部分以显示所需的颜色,而其他太阳波长,特别是近至短波长红外被反射。但现有CRC的性能或使用范围都受到限制。因此,以高度可扩展的方式同时实现彩色和辐射冷却性能仍然是一个挑战。

给辐射冷却涂层来点颜色

近日,哥伦比亚大学杨远、虞南方在《Science Advance》上介绍了一种可以同时实现彩色和辐射冷却的双层涂层。该双层涂层包括阳光散射非吸收性底层和可见光吸收性顶层。顶层吸收适当的可见波长以显示特定的颜色,而底层则使近短波长红外(NSWIR)光的反射最大化,以减少太阳辐射。因此,该双层涂层在强烈阳光照射下的温度比相同颜色的商用单层涂层低3.0°至15.6°C,并且可以获得更高的NSWIR反射率(0.1到0.51)。这些性能表明,双层涂层设计可以以简单,廉价和可扩展的方式实现彩色和有效的辐射冷却。

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图1. 增强NSWIR反射的双层CRCs。(A)在保持可见光谱反射率的同时,提高NSWIR的反射率。(B)阳光和热辐射与可涂双层设计之间的相互作用示意图。(C)双层(左)及单层(右)涂于塑胶基板上的照片。(D)四对不同颜色的P(VdF-HFP)双层和单层涂层的可见光(左)和NSWIR照片(右)。

双层涂层具有较厚的阳光散射非吸收性底层和较薄的着色顶层。由于顶层很薄(图2D)并且着色剂对NSWIR光的散射较弱,在NSWIR波长的光会透射,沿短的光路进入底层而不会被大量吸收。进入阳光散射非吸收性底层后,NSWIR光线会强烈地反向散射到顶层,几乎不受阻碍地返回自由空间,从而产生较高的RNSWIR。此外,薄顶层具有与目标色的常规单层相同的着色剂浓度和组成。尽管比单层涂层要薄得多,但它仍然具有足够的厚度,以确保与目标色互补的可见光被强烈吸收,而其他波长则被其自身或阳光散射底层反射。

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图2. 双层设计原理。(A和B)展示了阳光与单层(A)和双层(B)涂层的相互作用。(C)包含选择性黑色染料的聚合物的复光谱折射率。(D)三种模拟设置的示意图:(左)太阳光散射多孔聚合物,(中)折射率为(C)的单层染色多孔聚合物,(右)底部是散射介质,顶部是单层薄膜的双层。(E)(D)中三种结构的模拟反射率。

文章研究了两种类型的阳光散射底层。一种是厚度为500μm具有约50%多孔P(VdF-HFP)的厚层,其中包含相互连接的微孔和纳米孔(图3A),从而导致了阳光的高效反向散射。另一种是商业辐射冷却标准的250μm无孔TiO2基白色涂层。与商用单层涂层相比,这两种双层设计显示出几乎相同的颜色,但RNSWIR值明显更高。如图3(C至F)所示,每种颜色单层和双层的可见光谱趋势紧密匹配,从而导致相似的CIE x和y色度值和较小的亮度差异(图3B)。然而,在NSWIR中,基于多孔P(VdF-HFP)的双层比基于TiO2的双层的反射率更高。

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图3. 双层冷却涂料的结构和光学特性。(A)红色多孔P(VdF-HFP)双层,TiO2双层和单层涂层的光学显微镜(上)(比例尺,20微米)和扫描电子显微镜(下)(比例尺,5微米)图像。(B)CIE 1931颜色空间中显示的黑色,蓝色,红色和黄色冷却涂料的色度。(C至F)分别为黑色(C)、蓝色(D)、红色(E)、黄色(F)冷却涂料的反射率谱。

通过将图3中的双层和单层样品(C到F)暴露在直射阳光下(图4,A和B)可以证明双层方法实现的RNSWIR增强可带来更好的日间冷却性能。在极端情况下(黑色样品),由于RNSWIR的对比度较大,在约1025 W m-2 的阳光辐射下,多孔P(VdF-HFP)和TiO2基双层比单层的温度低15.6°C和13.2°C(图4C)。

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图4. 彩色冷却涂料室外温度试验。(A和B)在阳光下进行温度测试的装置示意图和照片。(C至F)分别为黑色(C)、蓝色(D)、红色(E)、黄色(F)冷却涂料室外试验中详细的太阳强度(y轴上半部分)和温度(y轴下半部分)数据。

这些结果表明,双层涂层设计,特别是基于多孔P(VdF-HFP)的设计,可以降低建筑物,汽车和其他地面物体的温度和空调成本。从实用的角度来看,该双层涂层可以通过简单的制造过程满足冷却性能,同时满足色彩的审美要求。

全文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz5413

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