B. L. Xie, H. M. Liao, H. Tu, J. Mei, M. H. Hou, and J. Wang，"Sandwich Structured" composite film with double barrier radiative cooling, adjustable heating, and multi-reflective electromagnetic interference shielding for all-weather protection, Acs Photonics (2024).
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c01718
研究背景
研究内容
图1，复合膜的性能演示,PHAN2P制备过程以及物理演示。(a)PHAN2P温度适应和EMI屏蔽联合应用原理图。(a1)辐射冷却和焦耳加热原理图。(a2)EMI屏蔽机理演示。(b)PHAN2P制备的演示图。
中空玻璃微球(hgm)主要由SiO2组成，⼀⽅⾯是由于内部化学键(−O−Si−O−)以及PDMS中Si−O和C−H链的存在，使得材料具有最佳的选择性吸收带，使得薄膜在8−13μm波段的IR发射率达到95%。电化学聚合聚吡咯(PPy)焦耳加热层的电导率可以随着电镀时间的变化⽽变化，从⽽实现材料控制的焦耳加热性能。即使在1V的低电压下，焦耳加热层的表⾯温度也达到55℃，⽽焦耳加热功率密度仅0.0075W/cm2。此外，Ni层和PPy层优异的导电性形成了EMW的多层反射特性，使薄膜能够有效阻挡EMW的(EMISE为26.5dB)，有效防⽌EMW对⼈体健康和设备运⾏的威胁。因此，复合薄膜在节能热管理和抗电磁⼲扰⽅⾯具有良好的应⽤前景。
PHAN2P的形貌和微观结构。通过固液混合、化学镀、电化学聚合和简单喷涂制备PHAN2P复合薄膜。从PDMS/hgm的20μm截面SEM图像中可以看出，hgm在PDMS中分布均匀、密集图(2a)。因为AP是通过物理桥接和热压芳纶纸浆和切碎的纤维形成的，它含有多个微⽶⼤⼩的孔隙。然⽽，AP中的孔隙也为Ni提供了附着点，形成完整的致密⾦属层图(2b)。与AP@Ni类似，电化学聚合的PPy密集分布在Ni膜表⾯图(2c)。
为了研究PHAN2P复合薄膜在⾼强度阳光下的辐射冷却效果以及AP@Ni位置对PHAN2P反射率的影响，我们建⽴了⼀个对照组。这包括PDMS/HGMs/AP@Ni/AP@Ni@PPy(PHAN2P-1)、PDMS/HGMs/AP@Ni@PPy/AP@Ni(PHAN2P-2)和PDMS/AP@Ni@PPy/AP@Ni(PAN2P)在⾼辐照度(1000W/m2)，室内环境的模拟阳光下在样品覆盖的聚苯⼄烯(PS)泡沫上进⾏测试图(3c)。图(3d、e)表明PAN2P样品表现出最⼤的温度上升幅度，⽽其他两个样品则表现出较低的温度上升和接近重叠的趋势。这⼀证据证实了HGMs有助于增强太阳反射率和降低材料表⾯温度的断⾔。相应地，红外图像显⽰了样品表⾯温度与腔体温度的对⽐，证明了PHAN2P对外界热量的隔热能⼒。此外，样品与空腔之间的平均温度差异以及与空腔的温差分布图图(3f)证实了PHAN2P-1显著的辐射冷却效果。同时，它证实了AP@Ni对太阳辐照度产⽣明显反射影响的观点。另⼀⽅⾯，图(3g)所⽰的温差也表明PHAN2P-1可以散发更多的热量。
为了证明PHAN2P在实际⼾外使⽤时仍然可以表现出⾜够的辐射冷却性能，我们在室外环境中测试了复合薄膜，时间选择了⼀段阳光明媚的天⽓(9:30-18:30)。可以观察到，与空腔相⽐，PHAN2P-1、PHAN2P-2和PAN2P的温度升⾼更为缓慢，特别是PHAN2P-1，即使在辐照强度达到时，也没有表现出相当⼤的温度升⾼800w/m2。当温度达到56.8℃时，观察到PHAN2P-1所覆盖的空腔温度仅为44.6℃，从⽽证实了PHAN2P表现出明显的辐射冷却性能的断言，如图(4a)所示。
图5， 焦耳加热试验PHAN2P。(a)PHAN2P焦耳加热试验方法示意图。不同电聚合次数下样品在不同电压下的温度随时间图。(b)0.5V工作电压测试，(c)1V工作电压测试和(d)1.5V工作电压测试。(e)电聚合吡咯3min样品PHAN2P-3在1V下循环16次的性能。(f)PHAN2P-3覆盖腔在梯度电压下的温度变化曲线。(g)PHAN2P-3覆盖腔在1V时随时间的温度变化曲线。
PHAN2P的焦耳加热特性。图(5a)给出了PHAN2P复合薄膜的测试⽅法。为了测试PHAN2P在不同电化学聚合时间下焦耳加热性能的变化，将样品编号为PHAN2P-1、PHAN2P-2、PHAN2P-3、PHAN2P-4、PHAN2P-5、PHAN2P-6和PHAN2P-7，下⾯的数字表⽰电化学沉积时间(单位为min)。图(5b、d)显⽰了PHAN2P在不同电压下不同电化学沉积时间下随时间变化的温度分布图。随着电压的升⾼，PHAN2P的表面温度逐渐升高，证明PHAN2P具有良好的焦耳加热可控性。选择1V作为复合膜的焦耳加热⼯作电压。为保证⼯作电压不影响⼈⾝安全，同时实现低功耗实现焦耳加热性能，选择PHAN2P-3实现低功耗焦耳加热。PHAN2P的循环加热稳定性如图(5e)所⽰。对PHAN2P-3覆盖的腔体进⾏梯度电压加热温度测试图(5f)，结果表明PHAN2P-3覆盖的腔体温度随着电压的升⾼⽽升⾼，说明PHAN2P-3加热腔体的可⾏性以及焦耳加热的良好可控性。同样，为了实验验证建筑物的⾃适应热管理性能，在夜间通⻛环境下测试了PHAN2P-3覆盖腔体的长期热稳定性图(5g)。
图6. PHAN2PEMI屏蔽性能测试。(a)不同层间材料和层数的PHANP、PHAN、PHAN2P2和PHAN2P样品的总EMISE(SET)。反射损耗(SER)，(c)吸收损耗(SEA)，(d)不同样品的反射系数(R)。(e)不同样品的平均值SER、SEA、SET。(f)不同样本的功率系数(A,R,T)。(g)演示用于CST模拟的每种材料的EMI屏蔽性能。
结论与展望
