被动日间辐射冷却通过同时反射太阳光和向外太空辐射热量来实现冷却,而不消耗任何外部能源。传统辐射冷却材料为了保持柔性而通常使用有机材料,但这些材料在太阳光照射下容易老化和产生二次污染。
近日,青岛大学王晓雄教授在期刊《Advanced Functional Materials》上,发表了最新研究成果“Alumina Fiber Membrane Prepared by Electrospinning Technology for Passive Daytime Radiative Cooling”。研究者通过静电纺丝工艺,制备出柔性纯无机辐射冷却材料,具有优异的太阳光反射率、红外发射率及被动日间辐射冷却性能。
此外,该柔性无机纤维膜表现出优异的抗紫外老化性能。与传统的辐射冷却材料相比,它保持了不受紫外线辐射影响的柔韧性和机械性能,不易变色,从而大大延长了使用寿命。重要的是,氧化铝的耐火性赋予了纤维阻燃性能,使其成为未来应用于建筑表面的优秀候选者。因此,所提出的技术为未来的材料设计开辟了新的途径,可以设计出更多的无机被动辐射冷却材料。
图1:柔性氧化铝纤维膜(FAFM)的制备和形貌特征。
柔性氧化铝纤维膜(FAFM)是通过使用均匀分散的前驱体溶液进行静电纺丝制备的,具体过程如图1所示。同时显示了FAFM的照片和代表性的扫描电子显微镜图像。FAFM纤维直径通常在0.15至0.70 μm之间,对应于可见光和近红外光的波长。
图2:FAFM的室外被动日间辐射冷却性能。
如图2所示,使用温度补偿方法来表征其冷却功率,该无机纤维膜可以实现的冷却功率为75 W m-2。同时,为了评估其实际应用潜力,将FAFM应用于建筑模型,使用红外图像进一步表征了其出色的冷却性能。覆盖FAFM的混凝土板在覆盖材料时和移除后的温度均显著低于其他对照组,这充分证明了其在现实应用中的可行性,表明FAFM在建筑制冷领域具有巨大的潜力。
图3:FAFM的抗紫外线老化性能。
被动日间辐射冷却材料会长时间暴露在阳光直射下,因此应具有良好的抗紫外线老化性能。如图3所示,使用电磁补偿三点式弯曲应力-应变测试系统测量了紫外灯照射前后纤维膜的柔韧性。FAFM在辐照前后的应力应变曲线基本重叠,表明UV没有改变其柔韧性。相比之下,对照组的纤维膜在紫外线照射后,最大弯曲应变降低,弯曲模量增加,使纤维膜的柔韧性降低,更容易断裂和损坏。这表明FAFM具有优异的抗紫外线老化性能。
图4:FAFM的防火性。
此外,作为一种在建筑制冷领域具有潜力的材料,FAFM作为建筑物的外墙需要长时间暴露在阳光直射和高温下。因此,它是否具有良好的热稳定性和隔热性能对于评估FAFM的性能至关重要。虽然超白材料的表面温度即使在夏季长时间直射阳光后通常也不会超过80℃,但在某些特定情况下,辐射冷却材料应确保不同房间之间的隔热,以避免火焰蔓延。同时进行了垂直燃烧实验,无论暴露在火焰中的角度如何,FAFM都没有发生形变,表明其具有优异的耐火性。
展望:该系统设计的出发点基于氧化铝-空气的界面折射率差异,利用了静电纺丝过程中丰富的纤维-空气界面,简化了PDRC材料的设计,减少了氧化硅微球的使用。一方面具有较低的本征吸收材料体系可以充分利用多界面散射实现对应的设计,另一方面材料折射率还有更大的改进空间,利用具有更高本征折射率的材料可以加强材料与空气折射率差异,从而进一步降低所需材料的厚度,从而充分发挥静电纺丝技术在材料厚度控制方面的优势用更薄的材料实现PDRC。更为重要的是,相较于其他手段,静电纺丝技术可以方便地实现多种界面调控,例如通过同轴并轴技术可以进一步设计出新的折射界面,通过有序静电纺丝技术也可以获得具有各向异性的光学系统。事实上使用静电纺丝技术制备PDRC材料的研究工作还处于初级阶段,我们相信基于纳米纤维的PDRC材料设计未来将大放异彩。
论文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413813
人物简介:
王晓雄,教授,青岛大学特聘教授。2010年毕业于山东大学物理学基地班,2016年毕业于中国科学技术大学,获凝聚态物理博士学位,2019年就职于青岛大学物理科学学院。主要从事自支撑柔性压电材料研究。近年来主持国家自然科学基金、中国科协项目、教育部产学研项目、生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室自主课题及青岛市博士后应用研究项目等,在Nature Communications、Nano Energy、ACS Nano、Progress in Materials Science 等杂志以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文40余篇,其中包括IF>10的论文十余篇,被引次数超过3000次,h-因子34,授权国家发明专利10余项。