JMCA | 基于机械变形实现太阳光-中红外波段的动态热辐射调控

背景介绍

开发低碳被动式热管理技术对减少热管理过程中能耗，降低环境污染具有十分重要意义。被动式日间辐射冷却技术因其绿色、低碳的特点受到广泛关注，通过提高介质在太阳光波段反射率，可有效避免太阳辐射加热；同时提高介质在大气透明窗口上发射率，强化其与深空辐射换热，从而实现被动式冷却。与之相反，提高介质在太阳光波段吸收率，降低其在中红外发射率，可实现有效太阳辐射加热。

然而，由于环境动态变化的复杂性，单一的辐射制冷或光热模式会导致过冷或过热，增加 热管理总能耗，无法满足实际应用需求。为了克服这一问题，需对介质的热辐射特性进行动态调控，实现动态热管理。如何在全波段范围对光谱辐射特性进行有效调控，对提升其热管理动态调控范围具有十分重要意义。

成果展示

受鱿鱼通过肌肉控制色素细胞在一秒钟内动态调节皮肤颜色过程的启发，本文提出了一种机械-光学耦合设计实现了太阳光-中红外波段热辐射动态调控。该介质主要由厚度敏感的聚合物发射层、粘合层、金属反射层与保护层组成的多层结构（SEBS@Ag薄膜），其具有良好的机械拉伸性能。在拉伸率为200%下，太阳光波段调控范围可达0.72，中红外波段调控范围可达0.3。基于此，可实现日间9.3°C、夜间2.9°C的温度动态调控，为适用于不同室外环境的动态热管理的可行和可扩展的提供了一种潜在的解决方案。研究成果以“A mechanical-optical coupling design on solar and thermal radiation modulation for thermoregulation”为题发表在期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=11.9）上。

该工作是团队近期关于热辐射动态调控的最新进展之一。前期工作分析总结了近年来的动态热辐射调控现状（Next Energy, 2023, 1(4): 100072），开发了基于温度响应的双层彩色辐射制冷涂层（Solar RRL, 2023: 2300512），构筑了多层结构温敏性水凝胶涂层（Solar Energy, 2024, 270: 112405），耦合介电环境与多孔结构（Nano Letters, 2024, 24(4): 1447–1453），实现了可见光、太阳光、全波段热辐射动态调控。

图1 工作原理分析：(a)乌贼肌肉控制色素细胞收缩和扩张的仿生图；(b)SEBS@Ag薄膜在未变形状态和机械拉伸状态下的机械-光学耦合太阳和热辐射调制示意图；(c)基于理想光谱的SEBS@Ag薄膜下不同物体的冷却功率和(d)加热功率。εfilm-LWIR为SEBS@Ag薄膜在大气长波红外透射窗内的热发射率，αsol为太阳吸收率，εobj为物体的热发射率，Pcooling为冷却功率，Pheating为加热功率，Psol为吸收的太阳辐射功率，Patm是从大气中吸收的辐射功率，Prad是系统的热辐射功率

图2 SEBS@Ag膜表征：(a) SEBS薄膜的应力拉伸曲线，这里的SEBS薄膜的长度为40mm，宽度为35mm，厚度为0.3mm，在MTS Insight电子拉伸试验机上拉伸；(b) SEBS@Ag薄膜在未变形和拉伸状态下的SEM图像；(c) SEBS@Ag薄膜在0%、50%、100%、150%和200%应变下的光学图像；(d) SEBS@Ag膜厚度随应变的增加而变化曲线；(e) SEBS@Ag薄膜在未变形状态0%和200%拉伸状态下的全光谱反射率或透射率

图3 SEBS@Ag薄膜动态热管理性能：(a)室外实验装置示意图；(b)白天和(c)夜间在0%和200%拉伸应变下的实时温度(数据来源:2024-03-11)；(d)白天在0%、50%、100%、150%、200%拉伸应变下的实时连续温度变化，间隔时间为2h，数据来源：2024-03-12；(e)覆盖屋顶薄膜后的建筑模型示意图；(f)全球18个典型城市的年度能源消耗进行节能计算

图4 SEBS薄膜热辐射动态调控分析：(a) SEBS膜透射的中红外入射光反射率，R表示空气与SEBS界面处的反射率(菲涅尔反射)；(b)实验测量不同厚度(单位：μm) SEBS薄膜的中红外透过率和(c)反射率；(d) SEBS薄膜在中红外波段的菲涅尔反射R1光谱；(e)SEBS薄膜消光系数随波长的变化曲线；(f) SEBS薄膜的热发射度与厚度的关系，黄点为实验实测值，绿线为计算结果

图5 SEBS@Ag薄膜热辐射动态调控理论分析：不同薄膜厚度SEBS@Ag薄膜在0%、100%和200%拉伸应变下的(a)热发射率和(b)太阳反射率。(c)不同厚度SEBS@Ag薄膜在拉伸应变为100%和200%时与未变形状态的热发射率变化和(d)太阳反射率变化。粉色圆点为实验测量值(厚度~300μm)；(e) SEBS@Ag薄膜(~ 300 μm厚度)的热发射率和(f)太阳反射率随拉伸应变的变化。SEBS@Ag薄膜(厚度~300μm)的光谱调节；(g) SEBS@Ag薄膜在0%、50%、100%、150%、200%拉伸应变下的太阳光谱反射率和中红外透射率；(h) SEBS@Ag薄膜在不同拉伸应变下的平均太阳反射率和热发射率

引用格式：N Guo, C Shi*, B Sheldon, H Yan, M Chen*. A mechanical-optical coupling design on solar and thermal radiation modulation for thermoregulation. Journal of Materials Chemistry A 2024. https://doi.org/10.1039/D4TA03388D