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香港城市大學(xué)Science：新型陶瓷材料，為建筑節(jié)能！

2023-12-11 14:12:35 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

當(dāng)清晨的第一縷陽光曬下森林，細(xì)心的你或許會發(fā)現(xiàn)樹葉上晶瑩剔透的霜花，這是被動(dòng)輻射制冷的杰作。在地球的自然環(huán)境中，熱量通過傳導(dǎo)，對流或輻射的方式由高溫物體流向低溫物體。而當(dāng)置身浩瀚的宇宙，太空的真空環(huán)境阻絕了傳導(dǎo)和對流，使得熱輻射成為地球與外太空進(jìn)行熱交換的唯一方式。其中，炙熱的太陽（5500攝氏度）所產(chǎn)生的太陽輻射是地球主要的熱量來源，另一邊，寒冷的外太空（零下270攝氏度）則是地球主要的輻射散熱對象。地球正是在與這兩者的輻射熱交換中達(dá)到平衡。而森林中的葉片，正是因?yàn)檎頉]有吸收到太陽的熱量而同時(shí)又持續(xù)向外太空輻射熱量，導(dǎo)致溫度降低到可以將空氣中的水分冷凝成霜的程度。

被動(dòng)輻射制冷一直以來被認(rèn)為是一項(xiàng)綠色環(huán)保，零耗能的制冷技術(shù)。它可以應(yīng)用于各種需要制冷的場景，小到戶外設(shè)施，大到建筑樓宇，都潛藏著應(yīng)用被動(dòng)輻射制冷技術(shù)的可能性。然而，對于輻射制冷材料的研發(fā)來說，想要兼顧制冷效率和實(shí)用性并非易事，這也是長期以來該領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)。

近日，香港城市大學(xué)能源及環(huán)境學(xué)院曹之胤教授及其研究組（https://www.cityu.edu.hk/see/people/prof-edwin-chi-yan-tso）（圖1）與香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系客座教授兼香港理工大學(xué)協(xié)理副校長（研究及創(chuàng)新）王鉆開教授(https://www.polyu.edu.hk/me/people/academic-teaching-staff/wang-zuankai-prof/) 合作研發(fā)了一款新型的陶瓷形式的被動(dòng)輻射制冷材料 (以下簡稱為制冷陶瓷)，該材料在采用純無機(jī)物的基礎(chǔ)上結(jié)合多級多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)表現(xiàn)從而達(dá)到高效的制冷效能，又同時(shí)兼具長期戶外應(yīng)用的耐用性。該項(xiàng)研發(fā)深度挖掘了被動(dòng)輻射制冷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上的潛能，將輻射制冷技術(shù)從學(xué)術(shù)研究真正推向規(guī)模化的實(shí)際應(yīng)用。該研究成果以題為“Hierarchically Structured Passive Radiative Cooling Ceramic with High Solar Reflectivity”的研究文章在國際著名學(xué)術(shù)期刊Science雜志上發(fā)表。該項(xiàng)研究中，曹教授的科研團(tuán)隊(duì)包括其指導(dǎo)的香港城市大學(xué)能源及環(huán)境學(xué)院博士生林凱昕，博士生陳思如，博士后朱毅豪博士，以及博士后何梓聰博士。

圖1 （左起）何梓聰博士，朱毅豪博士，曹之胤教授，博士生林凱昕及博士生陳思如

傳統(tǒng)的輻射制冷材料常采用上層微米級光學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)合底層金屬太陽反射鍍層的設(shè)計(jì)。盡管這樣的設(shè)計(jì)能夠一定程度地降低材料對來自大氣輻射的吸收，但金屬鍍層對太陽光的反射非常有限(最常用的金屬鍍層為銀，僅能提供約90%的太陽光反射率)，這使得這類設(shè)計(jì)僅能在夜間取得制冷效果，而無法滿足實(shí)際應(yīng)用中通常在白天出現(xiàn)制冷需求高峰的場景。除此之外，金屬的使用提高了材料成本且有導(dǎo)致環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)輻射制冷材料所采用的精密光學(xué)結(jié)構(gòu)依賴高精度的設(shè)備和操作，大大限制了生產(chǎn)規(guī)模，增加了制造成本和應(yīng)用難度。

為了更高效地利用輻射制冷技術(shù)降低制冷能耗，提高材料的太陽光反射是研發(fā)重點(diǎn)。輻射制冷效果好壞取決于材料表面的兩個(gè)光學(xué)性能：首先是太陽光波段的反射率，這決定了輻射制冷材料阻絕太陽光熱吸收的能力。再者是中紅外波段的輻射率，這決定了輻射制冷材料透過大氣層向外太空的輻射散熱能力。研究團(tuán)隊(duì)分別分析了材料太陽光波段（0.25-2.5微米）反射率及對中紅外輻射率（8-13微米）制冷功率的影響。相比之下通過提高太陽光波段反射率所獲取的制冷功率的提升要遠(yuǎn)大于提高中紅外輻射率（圖2），而這也成為了該項(xiàng)研究的突破點(diǎn)。

圖2 太陽光反射率（左圖）與中紅外輻射率（右圖）對制冷功率的影響

自然往往是最好的老師。在尋求高太陽光反射的解決方案的過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)超白昆蟲，Cyphochilus，具有高可見光反射，而這得利于其表皮絨毛中單一尺寸分布的多孔結(jié)構(gòu)。鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)利用散射理論模型進(jìn)一步對多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到對全太陽光波段(包含紫外，可見及近紅外)的高效散射的多級多孔結(jié)構(gòu)。通過相轉(zhuǎn)變及高溫?zé)Y(jié)的制備方法，他們成功制備出具有優(yōu)化多級多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷材料，即制冷陶瓷。（圖3）

圖3白色甲蟲Cyphochilus (上排) 與制冷陶瓷(下排)

之所以使用氧化鋁制備制冷陶瓷，不僅是因?yàn)槠渚哂懈邘兑彩怯捎谄鋼碛休^高太陽光波段折射率。由于氧化鋁的帶隙超過太陽光中最高能量光子，即紫外光，制冷陶瓷可將太陽光的吸收控制在最低限度。同時(shí)，高折射率使太陽光在多級多孔結(jié)構(gòu)中更有效地發(fā)生散射。在這兩方面因素的共同作用下，制冷陶瓷表現(xiàn)出破紀(jì)錄的99.6% 的太陽光反射率。與此同時(shí)，由于氧化鋁中化學(xué)鍵振動(dòng)對應(yīng)的能量正好位于12微米附近，使得制冷陶瓷具備96.5%的高中紅外輻射率。綜上所述，在光學(xué)性能上，制冷陶瓷已經(jīng)超越了近期在輻射制冷領(lǐng)域的其他設(shè)計(jì) (圖4)。

圖4 制冷陶瓷的從太陽光波段至中紅外的光學(xué)表現(xiàn)(左圖，深藍(lán)色曲線)及與此前輻射制冷材料的比較

在戶外制冷效能的測試中，制冷陶瓷給出了出色的答卷。制冷陶瓷能夠保持全天候低于環(huán)境空氣溫度的制冷效果，即使在正午陽光猛烈的時(shí)候，制冷陶瓷仍能保持其表面溫度低于環(huán)境空氣溫度超過4攝氏度。為驗(yàn)證制冷陶瓷降低能耗的潛力，研究團(tuán)隊(duì)在香港地區(qū)將制冷陶瓷鋪設(shè)在建筑模型的屋頂上，在與對照組（白色商業(yè)瓷磚）的對比中，不開冷氣的情況下，鋪設(shè)制冷陶瓷的建筑模型室內(nèi)溫度最高降幅可達(dá)2.5攝氏度。而在開啟冷氣的情況下，鋪設(shè)制冷陶瓷的建筑模型的冷氣耗能更是減少超過20% （圖5左）。制冷陶瓷在熱帶地區(qū)具有最優(yōu)的應(yīng)用場景，這些地區(qū)全年高溫，對制冷需求量大。通過建筑能耗模擬，應(yīng)用制冷陶瓷能為熱帶地區(qū)的住宅建筑節(jié)省超過10%的能源消耗（圖5右）。

圖5 制冷陶瓷在降低耗能上的表面：建筑模型實(shí)地測試結(jié)果（左圖）與全球范圍建筑節(jié)能模擬結(jié)果（右圖）

制冷陶瓷不僅在制冷方面表現(xiàn)出色，更具備其他多樣的功能性。氟化處理后的制冷陶瓷能夠在太陽光反射率保持高水平（99.0%）的前提下，提供超疏水性（接觸角大于150度）。這賦予了制冷陶瓷材料防水，防附著的自清潔能力，能夠在長時(shí)間的戶外應(yīng)用中保持完好如新的表面光學(xué)性能。得利于氧化鋁本身的穩(wěn)定性，經(jīng)由高溫?zé)Y(jié)所得到的制冷陶瓷能夠承受超過1000攝氏度的高溫，并具備滿足建筑外墻應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械強(qiáng)度。此外，全無機(jī)材料制成的制冷陶瓷解決了在含有有機(jī)聚合物的輻射制冷材料上難以避免的紫外老化問題。在長達(dá)一年的戶外曝光測試中，制冷陶瓷的光學(xué)性能并無明顯下降。

在建筑應(yīng)用中，輻射制冷材料作為外墻維護(hù)材料，高溫情況下的蒸發(fā)冷卻尤為重要卻常常被忽視。在建筑失火的情況下，有效地降低建筑結(jié)構(gòu)溫度對保證人身財(cái)產(chǎn)安全的至關(guān)重要。首次，研究團(tuán)隊(duì)對輻射制冷材料高溫情況下的蒸發(fā)冷卻表現(xiàn)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)普通外墻瓷磚在溫度高于280攝氏度時(shí)就會發(fā)生萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，即水珠長時(shí)間停留在高溫表面，蒸發(fā)緩慢（圖6左上）。相比之下，制冷陶瓷即使在高達(dá)800攝氏度的情況下都沒有觀察到明顯的萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，多孔結(jié)構(gòu)使得水珠在接觸表面時(shí)，立即分散開來，迅速蒸發(fā) （圖6左下）。這使得制冷陶瓷能夠在連續(xù)施加水滴的過程中持續(xù)降溫（圖6右）。

圖6高速攝像機(jī)連拍下的水滴接觸實(shí)驗(yàn)（左上為普通商用外墻瓷磚，左下為制冷陶瓷）與連續(xù)施加水滴時(shí)的表面溫度變化曲線（右圖，紅色為普通商用外墻瓷磚，藍(lán)色為制冷陶瓷）

在最后，研究團(tuán)隊(duì)基于白色的制冷陶瓷，還研制了不同顏色的制冷陶瓷，進(jìn)一步拓展了應(yīng)用的受眾和場景（圖7）。相比市面上普通的有色瓷磚，有色制冷陶瓷能夠在呈現(xiàn)相同顏色的情況下達(dá)到更高的近紅外反射率，從而顯著降低太陽照射下所產(chǎn)生的熱負(fù)荷。