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论文信息：
Maiping Yang, Zikang Zhou, Mingxiang Liu1, Jiawei Wu, Jiaxin Li, Jun Liang, Shiliang Zhang, Mingyue Chen, Hongtao Zeng, Xiaofeng Li, Hao Han, Chong Hou, Guangming Tao, Scalable Hierarchical-Colored Passive Cooling Metapaint for Outdoor Facility, EcoMat 10.1002, 12509 (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1002/eom2.12509
全球变暖导致极端高温天气频发，对室外人体健康和设施安全造成较大影响。热管理对室外设备和系统的重要性日益凸显。随着人类生活和生产用电量的大幅增加，大量室外用电设施应运而生。由于这些设施主要由金属材料构成，吸收了大量的太阳辐射热，热辐射能力不足，因此导致室外设施因高温而频繁发生事故，此外维护成本增加并产生重大安全隐患。自2018年以来，每年都有储能设施发生火灾和爆炸，造成人员伤亡和数百万美元的资产损失。这些事故很大一部分与设施的热管理有关。目前的水冷和风冷方法消耗大量能源，很难融入室外设施以实现高效的冷却效果。因此，迫切需要开发有效的室外设施冷却方法。
金属设施在室外高太阳辐射下温度显著升高，导致严重的安全事故。主动冷却技术的应用因其高能耗而带来挑战，尤其是在复杂的室外环境中。具有高太阳反射和热发射的被动冷却装置可以在阳光下持续冷却物体。然而，白色或银色的被动冷却装置不符合美观和特定需求。作者提出了一种用于室外设施的分层元涂料，可同时实现鲜艳的色彩和被动冷却能力。顶层选择性吸收可见波长以显示所需的颜色，而底层增强近短波长红外(NSWIR)光的反射以防止太阳加热。涂有元涂料的金属可耐高温和低温、酸性和碱性环境以及模拟海水。它还具有令人满意的防污性能。与未涂商业涂料的金属相比，分层被动冷却涂料(metapaint)涂层的金属可冷却高达9.7°C和17.1°C。元涂料具有出色的被动冷却性能，这归功于其广谱选择性调节功能。本文的工作提供了一种简单、廉价且可扩展的方法来减少冷却能源的使用并促进低碳生活方式。![]()
图1.具有优异被动冷却性能的分级着色超涂料。（A）具有广谱选择性调节和灵活操作的分级着色超涂料图。（B）金属的热管理机制。（C）彩色超涂料涂层金属的热管理机制。（D）金属和彩色超涂料涂层金属的反射率和发射率。
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图2.超涂料的光学和结构特性。（A）高折射率粒子（400nm）的电场分布。（B）不同尺寸的高折射率粒子在太阳辐射波段的散射效率。（C）高反射层、彩色层、彩色超涂料和商用涂料的反射率。（D）彩色超涂料溶液和涂层金属样品的照片。（E）不同颜色超涂料的可见光谱。（F）高折射率粒子均匀分布的超涂料反射层的SEM图像。（G）颜料粒子均匀分布的超涂料彩色层的SEM图像。（H）彩色超涂料的映射图像。顶部是没有TiO2粒子的彩色层。基底层是具有均匀分布的TiO2粒子的高反射层。
图3.彩色超漆涂层金属的耐久性能。（A）彩色超漆涂层金属在高温和低温下储存后的反射率。（B）彩色超漆涂层金属在酸性、中性和碱性溶液中浸泡后的反射率。（C）彩色超漆涂层金属在模拟海水中浸泡后的反射率。（D）彩色超漆涂层金属的抗洗刷性能。（E）彩色超漆涂层金属在模拟海水中浸泡试验的照片。（F）彩色超漆可应用于各种基材，包括木材、复合材料、铝合金和钢材。![]()
图4.超涂料的室外温度测试。（A）阳光下冷却温度测试装置的示意图和（B）照片。（C）室外被动冷却测试中的太阳强度数据。（D）在中国武汉（30°30′26″N，114°26′1″E，2024年9月30日）对金属、白色超涂料、彩色超涂料和商用涂料进行的连续24小时温度测量。（E）彩色超涂料涂层工业电气设备的照片。（F）涂有彩色超涂料的迷彩金属在草地（i）和建筑工地（ii）中具有出色的伪装效果。
总之，本文提出了一种经济高效且可扩展的方法来制造用于被动冷却户外设施的分层彩色涂料。这涉及结合吸收互补可见光以获得所需颜色的顶层，以及反射NSWIR波长太阳光的底层。理论模拟和光学特性表明，与单层涂料相比，分层设计的超涂料可以实现更高的RNSWIR。对于超涂料涂层金属，在735Wm-2的太阳强度下，温度比商用涂料低4.7°C。通过修改着色剂成分并调整其数量，可以进一步增加超涂料涂层金属与普通金属之间的温差（例如，白色可达到17.1°C），同时还可以改变超涂料的色调。层次分明的彩色设计优于商用涂料和普通金属，为彩色物体的节能冷却提供了一种实用而有效的解决方案。
