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輻射制冷使無能耗散熱成為可能 新材料助力戶外設(shè)備熱管理
2021年11月30日 09:43:17 來源：化工儀器網(wǎng) 作者：吳吳吳 點(diǎn)擊量：9262

“熱輻射”作為熱傳遞的三種方式之一,，近年來受到了越來越多的關(guān)注，“輻射制冷” 是一種被動(dòng)冷卻技術(shù),，憑借著可在無任何能耗的情況下降熱量散發(fā)到太空而成為熱門研究課題,。

　　【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】 進(jìn)入新世紀(jì)，各類小型中型大型機(jī)器設(shè)備365天一刻不停地運(yùn)轉(zhuǎn),，社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了前所未有的發(fā)展,，而在生產(chǎn)高效的背后則是“善后”技術(shù)的低效，機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的熱量在大氣中“自由”地進(jìn)行著熱傳遞,，進(jìn)一步加劇了溫室效應(yīng),。
 
　　說起“熱傳遞”，“熱輻射”作為熱傳遞的三種方式之一,，近年來受到了越來越多的關(guān)注,，“輻射制冷” 是一種被動(dòng)冷卻技術(shù)，憑借著可在無任何能耗的情況下降熱量散發(fā)到太空而成為熱門研究課題,。
 
　　外太空是地球的理想熱沉 能夠接收來自地球的熱量
 
　　根據(jù)經(jīng)典熱輻射理論,，一切溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體都會(huì)以電磁波的形式向外發(fā)射能量,。熱輻射可以將熱能以光速穿過真空，從一個(gè)物體傳到另一個(gè)物體,，太陽傳遞給地球的熱能就是以熱輻射經(jīng)過宇宙而來的,，所以將地球熱量通過熱輻射“發(fā)射”到外太空是理論上可行的。
 
　　太陽的溫度一般被認(rèn)為是6000K(開爾文,，溫度單位),，地球的溫度是230K到300K，而外太空的溫度為3K(-270℃,，接近絕對零度),，是一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的低溫端。外太空是地球的理想熱沉,，通過輻射制冷,，地球上的物體可實(shí)現(xiàn)與外太空直接換熱。
 
　　其實(shí)輻射制冷也普遍存在于大自然中,，露珠的形成就是自然的輻射制冷的結(jié)果,。夜晚近地空氣因長波輻射冷卻到露點(diǎn)以下，其中所含的水汽在地面或近地物體上結(jié)成露珠,，然而輻射制冷現(xiàn)象一般只在夜晚出現(xiàn),，這也就是為什么露珠出現(xiàn)的時(shí)間總在傍晚和清晨。
 
　　此前,，已有科學(xué)家在夜間輻射制冷發(fā)電方面有了較大的突破,，范鈴羚團(tuán)隊(duì)利用輻射制冷研制出熱電發(fā)生系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率為5%-8%,，能夠?qū)崿F(xiàn)每平米超過 2W 乃至 3W 左右的功率密度,，相比于此前背報(bào)道的相同原理的研究，其結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級,，足以為一些 LED 照明器件,、模塊化傳感器等持續(xù)供電。
 
　　近日,，上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心教授黃興溢與該校密西根學(xué)院教授鮑華基于輻射制冷技術(shù),，開發(fā)出一種具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料。據(jù)了解該材料的陽光反射率高達(dá)98%,，能夠打破時(shí)間限制實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷,，材料具備的高導(dǎo)熱特性可用于戶外機(jī)械設(shè)備的高效熱管理，能夠有效降低機(jī)械設(shè)備的溫度,。
 
　　與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比 高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料的優(yōu)勢
 
　　傳統(tǒng)的制冷技術(shù)是以蒸汽壓縮制冷技術(shù)為主,，工作氣體主要有氨、二氧化碳和氟利昂等輕烴鹵代物,，氣體制冷劑泄露造成的臭氧破壞,、強(qiáng)溫室氣體直接排放使地球溫度進(jìn)一步升高,，同時(shí)又加劇了制冷需求，如此形成一種惡性循環(huán),。
 
　　與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比,，輻射制冷技術(shù)運(yùn)用了自身材料的熱輻射特性，本身不需要任何能量輸入,，是一種無耗能,、無污染的理想制冷技術(shù)。且黃興溢團(tuán)隊(duì)研發(fā)的輻射制冷絕緣材料可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷,，因此這一技術(shù)有望取代或補(bǔ)充傳統(tǒng)制冷技術(shù),。
 
　　設(shè)施、裝備在工作時(shí)自身的熱量是制冷技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用中繞不開的“大山”,，研究人員設(shè)計(jì)的一種基于填充有聚合物基體的二維六方氮化硼(h-BN)介電納米板的可擴(kuò)展光子膜，將獨(dú)特的2D形狀與高折射率相結(jié)合,，具有超高的后向光散射效率,，使光子膜與傳統(tǒng)基體相比同時(shí)具有高太陽反射率(98%)和低熱阻，散熱能力更強(qiáng),。
 
　　據(jù)介紹,，該材料制備工藝簡單，無需開發(fā)新的工業(yè)化設(shè)備,，可在原有設(shè)備的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),，目前該團(tuán)隊(duì)已制備出數(shù)米長的材料。在應(yīng)用方面,，該材料除了可用于冷鏈物流,、會(huì)展中心等傳統(tǒng)制冷場景，還可用于變壓器,、5G基站等戶外電力設(shè)施的熱管理,，甚至航天器的熱控薄膜也在其應(yīng)用范圍之內(nèi)。
 
　　作為一項(xiàng)綠色技術(shù),，制冷輻射不需要消耗能源,，也不會(huì)排放溫室氣體造成環(huán)境負(fù)擔(dān)，對我國的生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義,。黃興溢團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì),、制備出的高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，打破了傳統(tǒng)輻射制冷材料陽光反射率和導(dǎo)熱率的制約,，進(jìn)一步拓展了輻射制冷材料的應(yīng)用場景,，為進(jìn)一步推動(dòng)輻射制冷技術(shù)在戶外電力設(shè)備、電子器件中的熱管理應(yīng)用做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn),。
 
　　后記：在后續(xù)應(yīng)用場景的拓展上,，材料的美學(xué)問題或許會(huì)被輻射制冷材料的研究團(tuán)隊(duì)提上日程,，讓材料在上色后具有純白色材料一樣的制冷效果，是輻射制冷材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的需要解決的問題,。
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