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影响辐射制冷性能的因素

2025-07-06 17:10430
 环境因素

首先,太阳辐射是影响材料制冷效率的关键因 素。太阳辐射带来的热量不容忽略,只有当辐射体 向外辐射的热量比它吸收太阳光和大气热辐射所 获得的热量多时,该辐射体才能实现日间辐射制冷。

其次,物体主要通过大气窗口向外太空辐射热 量,因此大气窗口的透过率对辐射制冷效果有直接 影响。大气窗口的透过率受诸多环境因素的影响 (如空气湿度、地理位置、云层覆盖量等)其中,空 气湿度是影响日间辐射制冷效果的一个重要因素。 在干燥的环境中,大气窗口不但在λ=8~13 μm处打 开,而且在入=16~25 um(该波段称为“第二大气窗口”)处也打开从而有效实现热辐射。然而,在潮湿 的环境中,由于水汽的红外吸收,降低了大气窗口 的透明度,导致材料制冷性能变差。

材料因素

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律,,P为总发射功率,A为发射体的表面积,0为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,T为发射体表面的温度,ε为发 射体的平均发射率,对于理想的发射器,ε应等于1。

在相同环境条件下,材料的辐 射制冷效果取决于其表面辐射特性。对于日间辐 射制冷,为了热量有效通过大气透明窗口释放到宇宙中材料不仅要在大气透明窗口波段产生强烈的 热辐射,还要在整个太阳光谱范围内具有近零的吸 收率以抵消太阳光的加热作用。若要有效实现日间辐射制太阳光。目前用于日间辐射制冷领域的基体材 料主要包冷,该辐射体通常应反射至少90%的入射无机纳米材料(如二氧化钛、二氧化钒、碳酸钙、 二氧括具有高折射率和高红外发射率等特性 的化铪及硅化物等)和在中红外波段具有高及收 官能团的聚合物材料。图2中总结了红外波段常见 的高吸收官能团。



研究发现,空心结构的纳米子可在更宽的波长范围内散射太阳光,从而产生更 高的反射率对于具有中红外波段高吸收官能团的聚合物 而言,其太阳反射率很大程度取决于其微观结构(即聚合物的聚集态结构或超分子结构)。为了设 计兼具高太阳反射率和中红外发射率的聚合物日间辐射制冷材料,文献主要采用了如下三种策略:(1)向聚合物基材中添加具有高折射率和高红外发 射率的无机纳米粒子;(2)设计具有双层结构的聚 合物-金属复合型材料;(3)构建具有多孔结构的聚 合物材料。其中,孔径与孔隙率对多孔材料辐射制 冷特性有显著影响。时域有限差分(FDTD)模拟证实,大量尺寸为2~5 um的微孔能够有效反射太阳 光,并且兼具微纳尺度的多级孔结构可在更宽波段 范围内散射太阳光,故在相同厚度下较单一孔径结 构具有更高的太阳反射率。
 
目前,文献报道的用于制备多孔型纤维素基日 间辐射制冷材料的方法主要有相分离法、冰模板法、静电纺丝法及球磨法。其中,相分离法是目前制备多孔型纤维素基日间辐射制冷材料的最常用方法。

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