高熵光熱薄膜助力人體熱管理研究獲進(jìn)展
保持舒適的新陳代謝溫度對(duì)維持人體的基本生理功能至關(guān)重要。在戶外,靜止的成人通過紅外輻射消耗大約50%的熱量,而傳統(tǒng)的紡織材料(如棉和滌綸)具有高紅外發(fā)射率(~90%),導(dǎo)致大量輻射性熱量損失。因此,對(duì)織物表面進(jìn)行加工,實(shí)現(xiàn)人體熱管理將會(huì)彌補(bǔ)這些缺陷。目前已報(bào)道的熱管理織物吸收率并不理想,在寒冷的天氣下不能有效加熱人體,而現(xiàn)有的選擇性吸收涂層技術(shù)在普通棉布表面由于高粗糙度會(huì)失去光譜選擇性。因此,研究零能耗熱管理織物具有重要意義。
(資料圖)
近期,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員高祥虎、劉剛團(tuán)隊(duì)等通過磁控濺射方法在普通棉布表面制備了基于高熵氮化物(ZrNbMo-Al-N)的多層薄膜,實(shí)現(xiàn)了具有較高光譜選擇性的人體熱管理織物。研究人員通過建立穩(wěn)態(tài)傳熱模型發(fā)現(xiàn)織物高吸收率和低發(fā)射率對(duì)人體在低溫環(huán)境下保溫都有貢獻(xiàn),特別是吸收率的優(yōu)化,能夠有效增加在戶外光照環(huán)境下的保溫能力(圖1)。
據(jù)此,研究人員通過理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)多層薄膜光學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化(圖2)。優(yōu)化后的選擇性吸收涂層在金屬鋁修飾的棉布上實(shí)現(xiàn)了92.8%的高吸收率和39.2%的低發(fā)射率,具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化效率(82.2 %,600 W m-2,0℃),相比于已報(bào)道的太陽能加熱織物具有明顯優(yōu)勢。研究人員對(duì)織物的加熱能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于織物較低的發(fā)射率,使得室內(nèi)空調(diào)的設(shè)定溫度降低3.5℃,從而減少了能源消耗。
冬季早晨,盡管太陽光強(qiáng)度只有350W m-2,空氣溫度為7.5℃,利用該團(tuán)隊(duì)研究的高熵保溫織物可使人體表面溫度提高12℃(圖3)。同時(shí),該織物還保持了棉布的可穿性,實(shí)驗(yàn)測試表明,其具有良好的水蒸氣透過率、透氣性和耐久性。經(jīng)過不同的洗滌周期,該織物仍保持優(yōu)異的光學(xué)性能。
該團(tuán)隊(duì)提出的高熵織物具有良好的光熱轉(zhuǎn)化效率、透氣性、水蒸氣透過率、機(jī)械強(qiáng)度、耐久性、可洗滌性和易于制備等優(yōu)點(diǎn),對(duì)織物人體熱管理的研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果以Efficient Warming Textile Enhanced by a High-Entropy Spectrally Selective Nanofilm with High Solar Absorption為題發(fā)表在Advanced Science上。
相關(guān)研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、甘肅省科技重大專項(xiàng)和蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破項(xiàng)目的支持。
圖1 高熵保溫織物的保溫機(jī)制及理論驗(yàn)證
圖2 高熵保溫織物的制備及光學(xué)性能
圖3 高熵保溫織物保溫性能的戶外驗(yàn)證
來源:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
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責(zé)任編輯:hnmd004
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