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被动式日间辐射制冷作为一种很有前景的热管理策略，受到了越来越多的关注。在各种辐射制冷涂料中，含颗粒的涂料具有更大的实际应用前景，因为它可以大规模生产。然而，关于颗粒结构的调查研究仍然不足。在本研究中，制备了空心SiO2/TiO2核壳颗粒（HCSP）和含HCSP的硅橡胶辐射制冷涂料（RCC）。由于HCSP具有更强的背向散射能力，RCC能够有效地反射入射太阳光并发射中红外光，与商用白漆和空心球涂料相比，RCC的最大Rsolar为0.97，最大为0.95。在太阳模拟器照射下，RCC表现出良好的制冷性能，温度下降5.26°C；在COMSOL模拟下，RCC在白天的平均温度下降为6.9°C。此外，RCC还表现出良好的隔热性能，其导热系数低至0.15 W·m-1·K-1。
一、 引言
随着全球气候变化和能源危机的加剧，发展高效节能的建筑材料成为当务之急。辐射冷却技术作为一种被动式冷却技术，利用材料将热量辐射到冷空中的能力，可以实现建筑的降温，降低空调能耗，具有重要的节能减排意义。目前，商用白色涂料因其高发射率而常用于辐射冷却领域。然而，其较低的太阳光反射率限制了其冷却效果，导致其在白天难以有效降低建筑温度。
2022年，国际知名期刊《Composites Part A》发表了一篇由天津大学理学院和中国CAS纳米系统与分级制造重点实验室完成的有关空心微球增强辐射冷却涂层的研究成果。该研究通过制备基于空心微球的辐射冷却涂层 (RCC)，并对其进行表征和性能测试，证实了空心微球结构可以有效提高材料的太阳光反射率，从而增强辐射冷却效果。该研究为构建高效节能建筑提供了新的思路和材料选择。论文标题为“Hollow Core-Shell Particle-Containing Coating for Passive Daytime Radiative Cooling”。
二、研究内容及方法
1.实验部分
研究制备了三种样品：商用白色涂料、空心微球涂层和基于空心微球的辐射冷却涂层 (RCC)。此外，对样品的微观结构和形态进行了表征，使用了扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）等技术来评估Ti的分布、化学键以及样品的相组成。最后，通过紫外-可见-近红外光谱测试、发射率测试、太阳模拟器测试、COMSOL Multiphysics 软件模拟和热台测试，对三种样品的太阳光反射率、发射率、辐射冷却性能和热绝缘性能进行了全面评估。
图1 HCSP和RCC的制造工艺。（B）SiO2空心球、（C，D）HCSP表面的SEM图像；（E） 碾压混凝土的横截面形态和插图显示了SiO2空心球和HCSP的尺寸分布。Ti的EDS元素映射对应于（F）HCSP和（G）RCC。
2.制造和微观结构
研究通过溶胶-凝胶法结合 Stober 法制备了二氧化硅 (SiO2) 空心球，然后将其与二氧化钛 (TiO2) 混合并涂覆在铝箔上。利用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散光谱(EDS)观察了HCSP和RCC的表面形貌与截面形态，发现HCSP具有均匀的TiO2涂层，且在RCC中HCSP分散均匀，Ti元素分布一致，证实了TiO2通过Ti-O-Si化学键与SiO2空心球表面结合，而非物理涂层。此外，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)分析了样品的化学结构和相组成，确认了HCSP中存在TiO2的特有吸收带以及经过热处理后形成的锐钛矿型TiO2的特征峰。
图2 (A) SiO2实心球和空心球的光散射行为比较。(B) 不同尺寸的单分散实心和空心TiO2粒子的散射效率。(C) 500 nm不同尺寸的实心和空心单分散TiO2粒子的散射相函数。(D) SiO2实心球、空心球和HCSP的电场分布。
文章通过COMSOL Multiphysics软件建立了模型，模拟并比较了实心和空心微粒在光散射行为上的差异。模拟结果表明，空心微粒相较于实心微粒展现出更强的背散射能力，这种独特的背散射特性有助于提高涂层的反射率。研究还探讨了不同尺寸的实心和空心TiO2粒子的散射效率和散射相函数，发现空心粒子在背散射方向上的散射效率更高，这有助于涂层实现更高的日光反射率。此外，通过模拟不同结构微粒在散射过程中的场分布，进一步证实了空心微粒在增强背散射方面的潜力，为开发具有高反射性能的辐射冷却涂层提供了理论依据。
实验通过使用太阳模拟器来测量不同涂层样本的反射率，发现与未涂覆铝箔和商业白漆相比，RCC 具有更高的太阳光谱反射率和红外发射率。测试结果表明，RCC在太阳模拟器照射下表现出5.26°C的温度降低，并且在COMSOL Multiphysics模拟的户外环境中，平均温度降低达到了6.9°C，显示出优异的连续辐射冷却性能。这些结果证明了RCC作为一种具有高反射率和高热发射率的辐射冷却材料的潜力。
图3 (A) 测试性能的设置示意图。(B) 使用太阳模拟器测量的Al箔、商业白色油漆、空心球涂层和RCC的温度数据。(C) 户外辐射冷却性能模拟的示意图和(D) 2021年8月17日中国北京模拟环境中环境、商业白色油漆、空心球涂层和RCC的模拟实时温度。
通过将涂层样品放置在热台上并测量其表面温度响应，研究发现由于空心结构的存在，RCC具有较低的密度和热导率（0.15 W/m·K），与商业白色油漆相比，其表面温度上升地更慢，并且在降温阶段温度下降速度也更慢。此外，利用热像仪拍摄的红外图像和对商业白色油漆与RCC在热台上的平均表面温度的比较，进一步证实了RCC在热隔离方面的优越性能。实验结果表明，RCC在150秒加热后与商业白色油漆的温度差可达到1.79°C，强调了其在热管理应用中的潜力。
图4 (A) 商业白色油漆和(B) RCC放置在热台上后的红外图像，舞台温度35°C。(C) 商业白色油漆和RCC在热台上的平均表面温度。(D) 商业白色油漆和RCC的密度和(E)热导率。
三、 小结
该研究表明，利用空心微球结构可以有效提高材料的太阳光反射率，从而增强辐射冷却效果。RCC 具有优异的辐射冷却性能和热绝缘性能，在建筑节能等领域具有广阔的应用前景。
原始文献:
Bu, Y., et al. "Hollow Core-Shell Particle-Containing Coating for Passive Daytime Radiative Cooling." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 158 (2022): 106949.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106949
转自：复合材料力学
