CN104669745A

CN104669745A - 一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜

Info

Publication number: CN104669745A
Application number: CN201510058599.9A
Authority: CN
Inventors: 谈论; 李志远; 张志华
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-02-04
Also published as: CN104669745B

Abstract

本发明涉及一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，该制冷贴膜自上而下依次包括抗刮耐磨层、上基材层、光子晶体制冷层及下基材层，所述的光子晶体制冷层结构式为(AB)₄(CD)₄(EF)₄(GH)₄，由第一复合层、第二复合层、第三复合层及第四复合层自上而下依次堆叠而成，并且所述的第一复合层、第二复合层、第三复合层及第四复合层均分别由四层二氧化硅介质层与四层二氧化钛介质层相互交替叠加组合而成。与现有技术相比，本发明质轻而薄，利用一维光子晶体禁带原理，经薄膜结构参数设计，能反射掉太阳光中大部分电磁波，同时对建筑物内部向外的热辐射几乎没有影响，用于建筑物墙体时，制冷效果好，有利于降低能耗，绿色环保。

Description

一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜

技术领域

本发明属于一维光子晶体技术领域，涉及一种制冷贴膜，尤其是涉及一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜。

背景技术

地球大气上界的太阳辐射光谱的99％以上在波长0.15～4.0微米之间，大约50％的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4～0.76微米)，7％在紫外光谱区(波长<0.4微米)，43％在红外光谱区(波长>0.76微米)，最大能量在波长0.475微米处。因此，如果能够实现选择性地截止阳光的辐射能量，就能够起到给室内降温的目的。当前，大多数情况下，建筑物的制冷主要还是依靠空调实现，耗能相当严重。例如，市场上与保温、降温有关的建筑外墙，主要为特制的漆或泡沫类的填充物，当上述材料主要是以吸热保温为主，但对于降温而言，则没有适宜的材料，主要还是依靠室内的空调作用。

光子晶体是介电函数周期分布形成的人工结构，与普通晶体一样，这种周期结构具有能带和能隙结构，称为光子禁带，频率落在其中的光波不能传播。光子晶体是一种折射率周期排列的合成材料，其主要特征就是存在光子禁带。在禁带中，某些频率范围的光不能透过；而在某些频率范围内的光是可以透过的。因此，光子晶体既可以是光子的绝缘体，又可以是光子的良导体。

目前，有研究表明，光子的禁带宽度与A、B两物体的折射率有关系，当物体A与物体B的折射率确定时，光子的禁带宽度就是恒定的。如果需要增大光子的禁带宽度，并使得这个禁带宽度能覆盖住太阳光能量的集中区域，让大部分的太阳光能量被反射掉，可以通过将具有不同中心频率的光子晶体进行叠加，叠加以后的光子禁带则是整个系统的综合效果。

基于上述研究成果，申请号为201410191751.6的中国发明专利公布了一种光子晶体玻璃窗防紫外线贴膜，由抗刮耐磨层、基材层、隔热层、防紫外线层、压敏胶层和离型膜层组成，在离型膜层上方依次铺设有压敏胶层、基材层、隔热层、防紫外线层、隔热层、基材层和抗刮耐磨层，所述的防紫外线层为光子晶体复合结构。该专利技术方案中，光子晶体复合结构由4层A介质层和4层B介质层相互交替叠加构成(AB)₄型复合结构，所述的A为Ge，B为MgF₂，其中，B介质层对应离型膜层设置，A介质层对应抗刮耐磨层设置。上述专利技术方案主要解决的技术问题是现有的部分玻璃贴膜虽有防紫外线功能，但是忽略了对可见光的透过率。上述专利通过调节光子晶体结构，达到较好的可见光透过率和紫外线反射率，然而，该技术方案用于建筑物环保制冷方面，则由于其对可见光较好的透过性，禁带区段不同，而不能有效反射太阳辐射中的可见光及红外线，因此，上述专利技术方案在建筑物室内降温方面几乎起不到作用，使用范围有限。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够高效反射来自太阳光的热辐射，反射可见光和金红外区段能量达到90％以上，而对于室内远红外区段能量透过率很高的基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，该制冷贴膜自上而下依次包括抗刮耐磨层、上基材层、光子晶体制冷层及下基材层，所述的抗刮耐磨层为聚氨酯抗刮耐磨层，所述的上基材层与下基材层均为聚对苯二甲酸乙二醇酯基材层，所述的光子晶体制冷层由第一复合层、第二复合层、第三复合层及第四复合层自上而下依次堆叠而成，结构式为(AB)₄(CD)₄(EF)₄(GH)₄，所述的第一复合层由4层A介质层与4层B介质层相互交替叠加组合成(AB)₄型复合结构，所述的第二复合层由4层C介质层与4层D介质层相互交替叠加组合成(CD)₄型复合结构，所述的第三复合层由4层E介质层与4层F介质层相互交替叠加组合成(EF)₄型复合结构，所述的第四复合层由4层G介质层与4层H介质层相互交替叠加组合成(GH)₄型复合结构，所述的A介质层、C介质层、E介质层及G介质层分别为厚度依次增加的二氧化硅介质层，所述的B介质层、D介质层、F介质层及H介质层分别为厚度依次增加的二氧化钛介质层。

所述的光子晶体制冷层的总厚度为2.32-2.352μm。

所述的二氧化硅介质层的折射率为1.45。

所述的二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛，该锐钛矿型二氧化钛的折射率为2.65。

所述的第一复合层中A介质层的厚度为51-52nm，B介质层的厚度为28-29nm。

所述的第二复合层中C介质层的厚度为75-76nm，D介质层的厚度为41-42nm。

所述的第三复合层中E介质层的厚度为103-104nm，F介质层的厚度为56-57nm。

所述的第四复合层中G介质层的厚度为146-147nm，H介质层的厚度为80-81nm。

所述的抗刮耐磨层的厚度为2-4μm。

所述的上基材层与下基材层的厚度相等，并且所述的上基材层的厚度为30-48μm。

本发明中，抗刮耐磨层采用具有高抗刮耐磨的聚氨酯材料制备而成，上基材层及下基材层均采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制备而成，具有强度高、刚性好、透明及光泽度高等优点。

利用黑体辐射的原理：表面温度越高的物体，其辐射的电磁波的频率就越高，波长也就越短，太阳的表面温度比地球上物体的温度高很多，因此，太阳光辐射的电磁波的波长比地球上建筑物内部物体辐射的电磁波的波长要短得多。本发明制冷贴膜设置在建筑物墙体上，一方面太阳光中大部分的可见光在通过制冷贴膜的抗刮耐磨层及上基材层后，抵达光子晶体制冷层，一部分可见光被反射，另一部分经折射进入光子晶体制冷层，而进入光子晶体制冷层的这一部分可见光，又会在二氧化硅介质层与二氧化钛介质层的层层反射作用下，返回至外界环境中。整个过程中，大约有90％以上的可见光在光子晶体制冷层的作用下，被反射回至外界环境中；另一方面，由于建筑物内部物体辐射的电磁波的波长比太阳光辐射的电磁波的波长要长得多，与该结构光子晶体禁带区间错开，使得内部物体的热辐射能够向外辐射，达到散热。本发明正是通过上述两方面作用，从而实现对建筑物内部空间制冷的技术效果。

相对于申请号为201410191751.6的中国发明专利，本发明应用领域完全不同，主要是应用在建筑物的墙体上以实现对建筑物内部空间的制冷，本发明环保制冷贴膜用于建筑物时，一方面能够反射掉太阳光中绝大多数能量，另一方面又能将建筑物内部向外发出的红外热辐射尽可能多地透射出去，从而达到为建筑物内部制冷的效果。

本发明是通过调节薄膜结构参数设置，实现对于可见光区段和近红外区段的极低透射率，而对于远红外区段透射率很高，由此，就可以反射掉太阳光射向建筑物内部的电磁波的大部分能量，却对建筑物内部向外的热辐射几乎没有影响。

本发明的制冷贴膜对于波长为0.4-1um的电磁波的透射率，基本上控制在0.1以下，而对波长更长的红外线的透射率则在0.7以上震荡。因此，本发明制冷贴膜结构实现了选择性截止阳光的辐射能量，并能让地球上物体自发辐射的远红外线较为容易地透射出去，从而起到给建筑物室内降温的作用。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)由于采用二氧化硅介质层与二氧化硅介质层作为光子晶体制冷层的核心部分，将具有不同中心频率的二氧化硅与二氧化钛进行叠加，则能够形成光子禁带；

2)由于在光子晶体制冷层中采用厚度依次递增的第一复合层、第二复合层、第三复合层及第四复合层，则能够有效达到展宽光子禁带的效果；

3)本发明制冷贴膜质轻而薄，将二氧化硅与二氧化钛有机结合起来，充分发挥两者的协同作用，能有效反射掉太阳光射向建筑物内部电磁波的大部分能量，同时又对建筑物内部向外的热辐射没有影响，从而实现外部的热辐射难以进入，内部的热辐射顺利向外透射出去，应用于建筑物时，能使建筑物内部的温度自动降低，而不需要消耗空调制冷所需的电能，绿色环保节能；

4)本发明制冷贴膜质轻而薄，结构简单，生产加工成本低，稳定性好，对于波长为0.4-1um的可见光波的透射率在0.1以下，用于建筑物墙体时，制冷效果好，有利于降低能耗。

附图说明

图1为实施例1制冷贴膜的结构示意图；

图2为实施例1中光子晶体制冷层中各复合层的结构示意图；

图3为实施例1制冷贴膜的仿真结果图；

图中标记说明：

1—抗刮耐磨层、2—上基材层、3—光子晶体制冷层、4—下基材层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，该制冷贴膜自上而下依次包括抗刮耐磨层1、上基材层2、光子晶体制冷层3及下基材层4，抗刮耐磨层1为聚氨酯抗刮耐磨层，上基材层2与下基材层4均为聚对苯二甲酸乙二醇酯基材层，光子晶体制冷层3由第一复合层、第二复合层、第三复合层及第四复合层自上而下依次堆叠而成，结构式为(AB)₄(CD)₄(EF)₄(GH)₄，第一复合层由4层A介质层与4层B介质层相互交替叠加组合成(AB)₄型复合结构，第二复合层由4层C介质层与4层D介质层相互交替叠加组合成(CD)₄型复合结构，第三复合层由4层E介质层与4层F介质层相互交替叠加组合成(EF)₄型复合结构，第四复合层由4层G介质层与4层H介质层相互交替叠加组合成(GH)₄型复合结构，A介质层、C介质层、E介质层及G介质层分别为厚度依次增加的二氧化硅介质层，B介质层、D介质层、F介质层及H介质层分别为厚度依次增加的二氧化钛介质层。

本实施例中，光子晶体制冷层3的总厚度为2.32μm，二氧化硅介质层的折射率为1.45，二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛，该锐钛矿型二氧化钛的折射率为2.65。

第一复合层中A介质层的厚度为51nm，B介质层的厚度为28nm；第二复合层中C介质层的厚度为75nm，D介质层的厚度为41nm；第三复合层中E介质层的厚度为103nm，F介质层的厚度为56nm；第四复合层中G介质层的厚度为146nm，H介质层的厚度为80nm；抗刮耐磨层1的厚度为2μm；上基材层2与下基材层4的厚度相等，并且上基材层2的厚度为30μm。

利用黑体辐射的原理：表面温度越高的物体，其辐射的电磁波的频率就越高，波长也就越短，太阳的表面温度比地球上物体的温度高很多，因此，太阳光辐射的电磁波的波长比地球上建筑物内部物体辐射的电磁波的波长要短得多。

如图3所示，本实施例制冷贴膜对于波长在0.4um至1um之间的电磁波的透射率基本上控制在0.1以下，而对波长更长的红外线的透射率则在0.7以上震荡。因此，本实施例制冷贴膜结构实现了选择性截止阳光的辐射能量，并能让地球上物体自发辐射的远红外线较为容易地透射出去，从而起到给建筑物室内降温的作用。

在实际使用过程中，本实施例制冷贴膜设置在建筑物墙体上，一方面太阳光中大部分的可见光在通过制冷贴膜的抗刮耐磨层1及上基材层2后，抵达光子晶体制冷层3，一部分可见光被反射，另一部分经折射进入光子晶体制冷层3，而进入光子晶体制冷层3的这一部分可见光，又会在二氧化硅介质层与二氧化钛介质层的层层反射作用下，返回至外界环境中。整个过程中，大约有90％以上的可见光在光子晶体制冷层3的作用下，被反射回至外界环境中；另一方面，由于建筑物内部物体辐射的电磁波的波长比太阳光辐射的电磁波的波长要长得多，与该结构光子晶体禁带区间错开，使得内部物体的热辐射能够向外辐射，达到散热。本实施例正是通过上述两方面作用，从而实现对建筑物内部空间制冷的技术效果。

实施例2：

本实施例中，光子晶体制冷层3的总厚度为2.352μm，二氧化硅介质层的折射率为1.45，二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛，该锐钛矿型二氧化钛的折射率为2.65。

第一复合层中A介质层的厚度为52nm，B介质层的厚度为29nm；第二复合层中C介质层的厚度为76nm，D介质层的厚度为42nm；第三复合层中E介质层的厚度为104nm，F介质层的厚度为57nm；第四复合层中G介质层的厚度为147nm，H介质层的厚度为81nm；抗刮耐磨层1的厚度为4μm；上基材层2与下基材层4的厚度相等，并且上基材层2的厚度为48μm。其余同实施例1。

实施例3：

本实施例中，光子晶体制冷层3的总厚度为2.336μm，二氧化硅介质层的折射率为1.45，二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛，该锐钛矿型二氧化钛的折射率为2.65。

第一复合层中A介质层的厚度为51.5nm，B介质层的厚度为28.5nm；第二复合层中C介质层的厚度为75.5nm，D介质层的厚度为41.5nm；第三复合层中E介质层的厚度为103.5nm，F介质层的厚度为56.5nm；第四复合层中G介质层的厚度为146.5nm，H介质层的厚度为80.5nm；抗刮耐磨层1的厚度为3μm；上基材层2与下基材层4的厚度相等，并且上基材层2的厚度为42μm。其余同实施例1。

Claims

1.一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，该制冷贴膜自上而下依次包括抗刮耐磨层、上基材层、光子晶体制冷层及下基材层，所述的抗刮耐磨层为聚氨酯抗刮耐磨层，所述的上基材层与下基材层均为聚对苯二甲酸乙二醇酯基材层，其特征在于，所述的光子晶体制冷层由第一复合层、第二复合层、第三复合层及第四复合层自上而下依次堆叠而成，结构式为(AB)₄(CD)₄(EF)₄(GH)₄，所述的第一复合层由4层A介质层与4层B介质层相互交替叠加组合成(AB)₄型复合结构，所述的第二复合层由4层C介质层与4层D介质层相互交替叠加组合成(CD)₄型复合结构，所述的第三复合层由4层E介质层与4层F介质层相互交替叠加组合成(EF)₄型复合结构，所述的第四复合层由4层G介质层与4层H介质层相互交替叠加组合成(GH)₄型复合结构，所述的A介质层、C介质层、E介质层及G介质层分别为厚度依次增加的二氧化硅介质层，所述的B介质层、D介质层、F介质层及H介质层分别为厚度依次增加的二氧化钛介质层。

2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的光子晶体制冷层的总厚度为2.32-2.352μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的二氧化硅介质层的折射率为1.45。

4.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛，该锐钛矿型二氧化钛的折射率为2.65。

5.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的第一复合层中A介质层的厚度为51-52nm，B介质层的厚度为28-29nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的第二复合层中C介质层的厚度为75-76nm，D介质层的厚度为41-42nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的第三复合层中E介质层的厚度为103-104nm，F介质层的厚度为56-57nm。

8.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的第四复合层中G介质层的厚度为146-147nm，H介质层的厚度为80-81nm。

9.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的抗刮耐磨层的厚度为2-4μm。

10.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的建筑物用环保制冷贴膜，其特征在于，所述的上基材层与下基材层的厚度相等，并且所述的上基材层的厚度为30-48μm。