转自洞见热管理
来源 | Advanced Functionals Materials
链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202410285
01
背景介绍
太阳是地球上生命赖以生存的能源来源，但它带来的过多热量也给我们带来了不小的挑战。在强烈阳光照射下，尤其是在炎热的夏季，建筑物内部的温度会上升，导致空调等设备的使用频繁，进而增加电力消耗和温室气体排放，进一步加剧气候变化和城市热岛效应。此外，冷链运输在高温环境下也面临着更高的制冷需求，特别是在运输易腐食品和温控药品时，如果温度波动超出2-8°C的规定范围，可能导致食物变质或药物失效。对于航天器而言，太阳辐射的强度更加剧烈，面临的挑战也与地面情况截然不同。航天器的表面温度可能达到几百摄氏度，这不仅会损害内部电子设备，还可能导致整个航天器的系统故障，造成严重损失。
02
成果掠影
近日，国立清华大学Wan Dehui联合国立台湾大学Chen Hsuen Li团队针对用于辐射冷却的材料取得最新进展。本文将被动辐射冷却 (PRC) 与具有隔热 (TI) 的气凝胶相结合，提出了一种通用辐射冷却二氧化硅气凝胶 （universal radiative cooling silica aerogel, UCSA）。该材料通过商业石英纤维膜的再生和冷冻干燥制备而成，是一种由混合纳米纤维和球形微珠组成的陶瓷气凝胶。在地球环境中，UCSA具有高太阳反射率（98.1%）和高大气窗口发射率（92.1%），理论冷却能力达103.3 W/m2；在空间环境中，UCSA表现出更好的光学和冷却性能，平均太阳反射率为99.1%、宽带中红外发射率为90%、空间冷却能力达354.1 W/m2。UCSA在耐高温、抗环境老化及真空热排气测试中表现优异，表明其在建筑、冷链和航天领域具有广阔的应用前景。研究成果以“Hierarchical Ceramic Nanofibrous Aerogels for Universal Passive Radiative Cooling”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。
03
图文导读
图1. (A) UCSA的设计概念示意图；(B) UCSA的代表性扫描电子显微镜（SEM）图像；(C)超轻UCSA放置于蒲公英冠毛上展示其低密度特性；(D)具有优异阻燃性能的5毫米厚UCSA样品；(E)大面积UCSA的实物照片；(F-H) UCSA在不同应用场景下的温度调节潜力，包括(F)建筑热管理，(G)室外冷链物流，(H)航天器热管理。
图2. (A)地球与外太空环境条件的示意图；(B)地球和外太空的太阳辐射与中红外（MIR）透射光谱；(C)宽带发射体、窄带发射体、银膜（Ag）、铝膜（Al）以及聚酰亚胺/铝（PI/Al）双层膜的太阳反射率和中红外发射率光谱；(D, E)不同材料在(D)外太空（环境温度为3 K）和(E)地球（环境温度为300 K）条件下的理论冷却性能。
图3. (A) UCSA的制备工艺示意图；(B)不同交联剂制备的气凝胶样品的太阳反射率与中红外发射率光谱；(C)不同交联剂的气凝胶样品的RS.E.（平均太阳反射率）、𝜖ATW（大气窗口发射率）、Psun（吸收的太阳功率）和Pcooling（净冷却功率）；(D)不同煅烧温度下气凝胶样品的太阳反射率与中红外发射率光谱；(E)相应的RS.E.、𝜖ATW、Psun和Pcooling；(F, G)未煅烧和煅烧样品的拉曼光谱与ATR-FTIR光谱；(H)不同煅烧温度下气凝胶的塑性变形率。
图4. (A, B)原始石英纤维膜（QFM）的SEM图像及其纤维直径分布；(C, D)石英纳米纤维在太阳波长范围内的散射效率和中红外波段的吸收效率计算结果；(E, F) UCSA的SEM图像及其中球形颗粒的直径分布；(G, H)不同直径硅微球的太阳波长散射效率和中红外波段吸收效率计算结果；(I) PEOM、QFM与UCSA的太阳反射率与中红外发射率光谱；(J, K)各样品在地球条件下的RS.E.、𝜖ATW、Psun和Pcooling；(L, M)各样品在空间条件下的RS.S.（空间太阳反射率）、𝜖MIR（中红外发射率）、Psun和Pcooling；(N, O)本研究与近期报道的PRC气凝胶的热导率、密度及其Pcooling、RS.E.、𝜖ATW性能比较。
图5. (A)用于室内热管理评估的实验装置照片；(B, C)加热10分钟期间，在(B)无光照与(C)有光照条件下，样品的温差（ΔT=Tbottom-Ttop）曲线；(D)样品在(B, C)中对应时间点的红外热成像图；(E) UCSA的隔热性能示意图；(F) UCSA与EPS在燃烧试验中的照片；(G, H) UCSA的30%-80%应变的压缩应力-应变曲线与800次循环压缩测试中的应力-应变曲线；(I) UCSA的最大应力、杨氏模量及能量损失系数（ΔU/U）随压缩循环次数的变化；(J, K) UCSA与EPS在湿热与紫外线老化测试前后的RS.E.、𝜖ATW、Psun和Pcooling值，以及样品外观照片；(L) UCSA在热真空排气测试后的质量变化比例，包括CVCM、TML、WVR和RML。
图6.(A)用于室外冷却性能评估的装置示意图；(B)在台湾新竹（东经120.98 °E，北纬24.78 °N）测量的EPS和UCSA亚环境冷却性能的日间温度曲线；(C)用于100 g冰保存实验的装置示意图；(D, E)不同包覆材料盒子内部温度（Tinbox）和瓶中温度（Tbottle）的变化曲线；(F)用于室外冰淇淋保存的装置示意图；(G)冰淇淋保存实验中的不同时间点照片。
