Science|制冷陶瓷新发现！

滤波器 2023-11-24 06:30

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研究背景

为了在一定程度上降低材料对来自大气辐射的吸收，传统的辐射制冷材料常采用上层微米级光学结构结合底层金属太阳反射镀层的设计。但是金属镀层以常用的银为列，它对太阳光的反射率约90%。使得这类设计的制冷效果仅能在夜间得以实现，不能满足白天的实际应用高峰。此外，金属的使用不但会增加材料成本而且会造成环境污染。传统辐射制冷材料所采用的精密光学结构依赖高精度的设备和操作，大大限制了生产规模，增加了制造成本和应用难度。

被动辐射制冷技术因其绿色环保、零耗能的特点，被广泛应用于各种制冷场景，从小型户外设施到大型建筑楼宇，都可能涉及到被动辐射制冷的技术的应用。然而，研发兼具制冷效率和实用性的辐射制冷材料并非易事，这也是该领域长期以来的技术难题。

近日，香港城市大学能源及环境学院曹之胤教授团队与香港城市大学机械工程学系客座教授兼香港理工大学协理副校长（研究及创新）王钻开教授合作研发了一款新型的陶瓷形式的被动辐射制冷材料。研究成果以“HierarchicallyStructured Passive Radiative Cooling Ceramic with High Solar Reflectivity”为题发表在国际著名学术期刊Science杂志上。

研究成果

这款新型的陶瓷形式的被动辐射制冷材料 (以下简称为制冷陶瓷)在采用纯无机物的基础上，结合多级多孔结构设计，不仅实现了优异的光学性能，提高了制冷效率，而且具备了长期户外应用的耐用性。这项研发深度挖掘了被动辐射制冷技术在实践应用中的潜力，成功将辐射制冷技术从学术研究推向了规模化实际应用。

图文解析

新型制冷陶瓷以更高效地利用辐射制冷技术降低制冷能耗，提高材料的太阳光反射为研发重点。辐射制冷的效能受限于两个光学特性：首先是材料在太阳光波段的反射率，此特性关乎其阻绝太阳热吸收的能力；其次是材料在中红外波段的辐射率，此特性决定其透过大气层向太空的辐射散热能力。研究团队分别对这两个特性进行了分析。实验结果显示，提高材料在太阳光波段的反射率所能带来的制冷效果提升，远大于改变其在中红外波段的辐射率（图1）。这一发现成为了该研究的核心突破点。

图1：左图为太阳光反射率（0.25~2.5微米对制冷功率的影响、右图为中红外辐射率（8~13微米）对制冷功率的影响

研究发现，超白昆虫，Cyphochilus，因其表皮绒毛中单一尺寸分布的多孔结构而具有高可见光反射，因此他们利用散射理论模型，对多孔结构进行了进一步的优化，以实现对全太阳光波段的高效散射。他们成功制备出了具有优化多级多孔结构的氧化铝陶瓷材料-——制冷陶瓷（如图2）。

图2:白色甲虫与制冷陶瓷

因其具有高带隙及较高太阳光波段折射率，氧化铝被用于制备制冷陶瓷，由于氧化铝的带隙超过太阳光中最高能量光子，即紫外光。带隙超过紫外光，制冷陶瓷能最小化太阳光吸收。高折射率增强多级多孔结构中的散射效果。两因素共同使制冷陶瓷反射率高达99.6%。另外，氧化铝化学键振动对应的能量位于12微米附近，使制冷陶瓷具备96.5%的高中红外辐射率。综上，该制冷陶瓷在光学性能上超越了近期在辐射制冷领域的其他设计 (图3)。

图3：制冷陶瓷的从太阳光波段至中红外的光学表现及与此前辐射制冷材料的比较

为了验证制冷陶瓷在降低能耗方面的潜力，研究团队在香港地区将制冷陶瓷铺设在建筑模型的屋顶上，与使用白色商业瓷砖的对照组进行对比。结果显示，在不开启冷气的情况下，铺设制冷陶瓷的建筑模型室内温度最高降幅可达2.5摄氏度。而在开启冷气的情况下，铺设制冷陶瓷的建筑模型冷气耗能减少了超过20%（图4）。

图4:制冷陶瓷铺设在建筑模型测试结果

除了制冷，制冷陶瓷也具备其他功能性。氟化处理后的制冷陶瓷具有高反射率（99.0%）和超疏水性（接触角大于150度），这赋予了制冷陶瓷材料防水，防附着的自清洁能力，能在长时间的户外应用中保持完好如新的表面光学性能。得利于氧化铝本身的稳定性，经由高温烧结所得到的制冷陶瓷能够承受超过1000摄氏度的高温，具备满足建筑外墙应用标准的机械强度。此外，全无机材料制成的制冷陶瓷解决了含有有机聚合物的辐射制冷材料上难以避免的紫外老化问题，在长达一年的户外户外曝光测试中保持光学性能稳定。

辐射制冷材料作为外墙维护材料，在建筑失火的情况下，能够有效地降低建筑结构温度对保证人身财产安全。研究团队对辐射制冷材料高温情况下的蒸发冷却表现进行了研究。研究发现，制冷陶瓷在高达800摄氏度的情况下都无明显的莱顿弗罗斯特现象，多孔结构使得水珠在接触表面时，立即分散开来，迅速蒸发。这使得制冷陶瓷能够在连续施加水滴的过程中持续降温（图5）。