CN113791468A - 彩色辐射制冷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色辐射制冷材料，其包括：基底层、金属层、布拉格反射层和间隔层；其中，布拉格反射层至少包括层叠设置的第一介质层和第二介质层，第一介质层的折射率与第二介质层的折射率不同，且第一介质层的厚度与第二介质层的厚度不同；间隔层设置在金属层和布拉格反射层之间；金属层、间隔层以及布拉格反射层共同形成塔姆结构。本发明还提供了一种前述彩色辐射制冷材料的制备方法。本发明提供的彩色辐射制冷材料通过金属层、间隔层和布拉格反射层的设置，能够在金属层和间隔层界面间激发塔姆共振，实现高品质因子的可见光选择性吸收；而且通过间隔层的设置可以获得较高的吸收率和极窄的吸收峰宽，抑制对阳光的吸收而导致的热效应。

Description

彩色辐射制冷材料及其制备方法

技术领域

本发明是涉及材料技术领域，特别是涉及一种彩色辐射制冷材料及其制备方法。

背景技术

现有的辐射制冷材料多为金属色或白色，这是由于只有尽可能减少对阳光的吸收才能避免其热效应，因而材料需要具有金属或纯白色表面以尽可能充分地反射阳光。

然而，对于实际应用和外观审美而言，具有金属或纯白色表面的被动辐射制冷材料并非最佳选择，同时由于对阳光的反射或散射也会产生光污染的可能性。因此，亟需研制一种具有色彩的被动辐射制冷材料，这对拓展其在各类现实场景中的应用规模以提升该技术对节能减排的作用而言十分重要。

专利CN202010898293.5公开了一种彩色辐射制冷柔性复合薄膜及其制备方法，该复合薄膜包括高分子聚合物基底以及掺杂在基底内的相变微胶囊和颜料，利用静电纺丝技术得到彩色复合薄膜。这是一种利用化学颜料获得所需色彩的技术手段，其色彩取决于颜料的种类，它的掺入会带来部分阳光吸收，导致温度升高。尽管相变微胶囊具有相变吸热的特性，但这只是一种热量的转移，并不能从根本上解决热负载增加的问题。同时，颜料的光吸收取决于其基本材料特性，难以进行精确调控。

因此，针对现有技术的中的问题有必要提供一种新的彩色辐射制冷材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种彩色辐射制冷材料，该材料具有色彩可控和可见光吸收率低的优点。

为实现上述目的，本发明供的技术方案如下：

一种彩色辐射制冷材料，其包括：基底层、金属层、布拉格反射层和间隔层；其中，基底层沿设定方向延伸；金属层设置在所述基底层上；布拉格反射层至少包括层叠设置的第一介质层和第二介质层，所述第一介质层的折射率与第二介质层的折射率不同，且所述第一介质层的厚度与第二介质层的厚度不同；间隔层设置在所述金属层和所述布拉格反射层之间；所述金属层、所述间隔层以及所述布拉格反射层共同形成塔姆结构。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述基底层的材质为PET、PEN、PI、PC、PMMA和玻璃中的至少一种。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述金属层的可见光反射率大于80％。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述金属层的材质为银、金、铜、铝中的一种或多种。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述间隔层的厚度介于20～500nm之间。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述布拉格反射层还包括第三介质层，所述第三介质层的折射率与第一介质层、第二介质层的折射率均不同。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一介质层的折射率介于之间1.1～1.6，所述第二介质层的折射率介于1.6～3.5之间。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一介质层的材质为氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝和碳化硅中的至少一种，所述第二介质层的材质为氟化镁、氧化硅、氟化钙和PTFE中的至少一种。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述布拉格反射层上还设有表面功能层，所述表面功能层的材质包括氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氟化镁、氧化硅、氟化钙、PET、PEN、PI、PC、PMMA、PTFE、PDMS、TPU、纤维素中的至少一种。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述彩色辐射制冷材料还包括保护层，所述保护层形成于所述表面功能层背离所述布拉格反射层的一面上。

本发明还提供了一种彩色辐射制冷材料的制备方法，具体包括：提供一沿设定方向延伸的基底层；在所述基底层的一面上沉积金属层；在所述金属层上沉积间隔层；在所述间隔层上依次层叠沉积第一介质层和第二介质层，所述第一介质层的折射率与第二介质层的折射率不同，且所述第一介质层的厚度与第二介质层的厚度不同；所述金属层、间隔层、第一介质层和第二介质层共同形成塔姆结构。

与现有技术相比，本发明提供的彩色辐射制冷材料通过金属层、间隔层和布拉格反射层的设置，能够形成塔姆结构，以实现颜色可控的显色功能；并且在金属层和间隔层界面间激发塔姆共振，实现高品质因子的可见光选择性吸收；而且通过间隔层的设置，可以获得较高的吸收率和极窄的吸收峰宽，不会明显增加因对阳光的吸收而导致的热效应；同时利用表面功能层的中红外高发射率将材料表面热量通过大气透明窗口辐射至低温宇宙，以实现辐射降温。

附图说明

图1是本发明一实施方式中彩色辐射制冷材料的结构示意图；

图2是本发明实施例1所制得的彩色辐射制冷材料的反射光谱；

图3是本发明实施例2所制得的彩色辐射制冷材料的反射光谱；

图4是本发明实施例3所制得的彩色辐射制冷材料的反射光谱；

图5是本发明实施例4所制得的彩色辐射制冷材料的反射光谱；

图6是本发明实施例5所制得的彩色辐射制冷材料的反射光谱。

主要附图标记说明：

1-基底层，2-金属层，3-间隔层，4-布拉格反射层，41-第一介质层，42-第二介质层，43-第三介质层，5-表面功能层，6-保护层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

需要说明的是，以下的说明中，表示量的“％”和“份”只要无特别说明，则为重量基准。除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应该理解为在所有情况下均是由术语“约”来修饰的。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.2、1.4、1.55、2、2.75、3、3.80、4和5等等。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素；术语“优选”指的是较优的选择方案，但不只限于所选方案。

如图1所示，本发明一实施方式中的彩色辐射制冷材料，可以应用在建筑材料、景观椅、衣物、户外用品等多种场景，其包括：基底层1、金属层2、间隔层3和布拉格反射层4。

其中，基底层1沿设定方向延伸。金属层2设置在基底层1上。布拉格反射层4至少包括层叠设置的第一介质层41和第二介质层42，第一介质层41的折射率与第二介质层42的折射率不同，且第一介质层41的厚度与第二介质层42的厚度不同。间隔层3设置在金属层2和布拉格反射层4之间；并且金属层3、间隔层2以及布拉格反射层4共同形成塔姆结构。

通过金属层2、间隔层3和布拉格反射层4形成塔姆结构，可在间隔层3和金属层2界面处激发光学塔姆共振，以获得高品质因子的反射凹谷/吸收峰，从而实现显色功能，并且可以通过布拉格反射层4的厚度，来实现不同颜色的显色功能。另外，通过调节间隔层3的厚度能够控制吸收峰的峰宽，而且吸收峰的位置对间隔层3的厚度变化不敏感，即节间隔层3可以在不影响吸收峰位置(吸收峰位置对应具体的显色)的情况下，调节吸收峰的峰宽，从而可以得到峰形窄、半峰全宽小的吸收峰，以获得较高的吸收率和极窄的吸收峰宽，能够抑制对阳光的吸收而导致的热效应。

一示例性的实施例中，基底层1的材质可以是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和玻璃(二氧化硅玻璃)中的至少一种。基底层1的材质还可以是金属、纤维、毛皮、布匹、陶瓷、建筑材料等。对基材层的厚度并无特别限定，可以根据实际需要进行选择。

一示例性的实施例中，金属层2的可见光反射率大于80％，绝大部分可见光会被金属层2反射，即金属层2具有很低的可见光吸收率，不会明显增加因对阳光的吸收而导致的热效应。金属层2的材质可以是银、金、铜、铝中的一种或多种。基于对高反射率的考量，金属层2的材质优选为银。

一示例性的实施例中，间隔层3的厚度可以大于或者小于布拉格反射层中第一介质层或第二介质层的厚度。具体地，间隔层3的厚度介于20～500nm之间。间隔层3的材质可以是氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝和碳化硅中的至少一种。

一示例性的实施例中，布拉格反射层4还包括第三介质层43，该第三介质层的折射率与第一介质层41、第二介质层42的折射率均不同。布拉格反射层中介质层的层数可以根据实际需要来设定，只要使得布拉格反射层4为非周期性的布拉格反射层4即可。布拉格反射层4设置非周期的结构能够控制塔姆结构对于可见光的反射率；改善塔姆结构中驻波光场的分布特性。

一示例性的实施例中，第一介质层41的折射率介于1.1～1.6之间，第二介质层42的折射率介于1.6～3.5之间。其中，第一介质层41的材质可以是氟化镁、二氧化硅、氟化钙和PTFE(聚四氟乙烯)中的一种或多种；第二介质层42的材质可以是氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝和碳化硅中的一种或多种。

一示例性的实施例中，布拉格反射层上还设有表面功能层。表面功能层5的材质包括氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氟化镁、氧化硅、氟化钙、PET、PEN、PI、PC、PMMA、PTFE、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、TPU(热塑聚氨酯)、纤维素中的至少一种。

一示例性的实施例中，表面功能层5的可见光波段吸收率小于20％、中红外8～13μm波段的吸收率大于80％。表面功能层5的中红外8～13μm波段高吸收率，使其具有中红外波段高发射率，可以通过中红外8-13μm波段的大气透明窗口将物体表面热量以热辐射的方式传递至寒冷宇宙空间，以实现辐射降温的功能。

一示例性的实施例中，彩色辐射制冷材料还包括保护层6，该保护层6形成于表面功能层5背离布拉格反射层4的一面上。保护层6用于保护彩色辐射制冷材料在户外，可减少严酷自然条件下对材料的侵蚀。保护层6的材质可以与表面功能层5的材质相同，例如可以是氮化硅、氮化铝、PTFE、PMMA、PI等，也可以与表面功能层5不同的，例如可以是提供疏水/疏油功能为主的氟硅烷、氟碳类自清洁涂层。

本发明还提供了一种前述彩色辐射制冷材料的制备方法，具体包括：提供一沿设定方向延伸的基底层1；在该基底层1的一面上沉积金属层2；在该金属层2上沉积间隔层3；在该间隔层3上依次层叠沉积第一介质层41和第二介质层42。

其中，该第一介质层41的折射率与第二介质层42的折射率不同，且该第一介质层41的厚度与第二介质层42的厚度不同；并且金属层2、间隔层3、第一介质层41和第二介质层42共同形成塔姆结构。

在彩色辐射制冷材料的制备过程中，对各层的沉积和涂布方式并无特别限定。例如，沉积方式可以是磁控溅射沉积、电子束蒸发沉积、热蒸发沉积、脉冲激光沉积等；涂布方式可以是滴涂、旋涂、辊涂、刮涂、狭缝涂布、微凹涂布等。

下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

在厚度为200μm的PMMA基底层1的一面上，沉积一层厚度为120nm的银金属层2；在银金属层2上沉积层厚度为32nm的氧化钽间隔层3；在该间隔层3上依次交替沉积多层二氧化硅第一介质层41和氧化钽第二质层42，以形成布拉格反射层4，该布拉格反射层4中各层的厚度依次为47nm、51nm、50nm、51nm、70nm、51nm、15nm；最后在布拉格反射层4上沉积一层厚度为15μm的PTFE表面功能层5；得到鹅黄色辐射制冷材料。该鹅黄色辐射制冷材料的反射光谱如图2所示。

实施例2

在厚度为100μm的PI基底层1的一面上，沉积一层厚度为120nm的铝金属层2；在铝金属层2上沉积层厚度为40nm的氧化钛间隔层3；在该间隔层3上依次交替沉积多层二氧化硅第一介质层41和氧化钛第二介质层42，以形成布拉格反射层4，该布拉格反射层4中各层的厚度依次为85nm、60nm、80nm、52nm、110nm、49nm、20nm；最后在布拉格反射层4上沉积一层厚度为25μm的PDMS表面功能层5；得到粉色辐射制冷材料。该粉色辐射制冷材料的反射光谱如图3所示。

实施例3

在厚度为150μm的PET基底层1的一面上，沉积一层厚度为120nm的铝金属层2；在铝金属层2上沉积层厚度为55nm的氧化锌间隔层3；在该间隔层3上依次交替沉积多层二氧化硅第一介质层41和氧化锌第二介质层42，以形成布拉格反射层4，该布拉格反射层4中各层的厚度依次为112nm、80nm、115nm、79nm、116nm、79nm、234nm；最后在布拉格反射层4上沉积一层厚度为25μm的PMMA表面功能层5；得到青色辐射制冷材料。该青色辐射制冷材料的反射光谱如图4所示。

实施例4

在厚度为125μm的PEN基底层1的一面上，沉积一层厚度为150nm的铜金属层2；在铜金属层2上沉积厚度为150nm的氧化锌间隔层3；在该间隔层3上依次交替沉积多层氟化镁第一介质层41和氧化锌第二介质层42，以形成布拉格反射层4，该布拉格反射层4中各层的厚度依次为65nm、265nm、90nm、170nm、60nm、160nm、190nm；最后在布拉格反射层4上沉积一层厚度为15μm的TPU表面功能层5；得到接近粉色的辐射制冷材料。该辐射制冷材料的反射光谱如图5所示。

实施例5

在厚度为200μm的PMMA基底层1的一面上，沉积一层厚度为120nm的银金属层2；在银金属层2上沉积层厚度为120nm的氧化钽间隔层3；在该间隔层3上依次交替沉积多层二氧化硅第一介质层41和氧化钽第二质层42，以形成布拉格反射层4，该布拉格反射层4中各层的厚度依次为47nm、51nm、50nm、51nm、70nm、51nm、15nm；最后在布拉格反射层4上沉积一层厚度为15μm的PTFE表面功能层5；得到品质因子高，吸收峰宽窄的鹅黄色辐射制冷材料。该鹅黄色辐射制冷材料的反射光谱如图6所示。

综上所述，本发明提供的彩色辐射制冷材料通过金属层2、间隔层3和布拉格反射层4的设置，能够形成塔姆结构，以实现颜色可控的显色功能；并且在金属层2和间隔层3界面间激发塔姆共振，实现高品质因子的可见光选择性吸收；而且通过间隔层3的设置可以获得较高的吸收率和极窄的吸收峰宽，不会明显增加因对阳光的吸收而导致的热效应；同时利用表面功能层5的中红外高发射率将材料表面热量通过大气透明窗口辐射至低温宇宙，以实现辐射降温。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (11)

1.一种彩色辐射制冷材料，其特征在于，包括：

基底层，沿设定方向延伸；

金属层，设置在所述基底层上；

布拉格反射层，至少包括层叠设置的第一介质层和第二介质层，所述第一介质层的折射率与第二介质层的折射率不同，且所述第一介质层的厚度与第二介质层的厚度不同；

间隔层，设置在所述金属层和所述布拉格反射层之间；

所述金属层、所述间隔层以及所述布拉格反射层共同形成塔姆结构。

2.如权利要求1所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述基底层的材质为PET、PEN、PI、PC、PMMA和玻璃中的至少一种。

3.如权利要求1所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述金属层的可见光反射率大于80％。

4.如权利要求3所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述金属层的材质为银、金、铜、铝中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述间隔层的厚度介于20～500nm之间。

6.如权利要求1所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述布拉格反射层还包括第三介质层，所述第三介质层的折射率与第一介质层、第二介质层的折射率均不同。

7.如权利要求6所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述第一介质层的折射率介于之间1.1～1.6，所述第二介质层的折射率介于1.6～3.5之间。

8.如权利要求7所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述第一介质层的材质为氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝和碳化硅中的至少一种，所述第二介质层的材质为氟化镁、氧化硅、氟化钙和PTFE中的至少一种。

9.如权利要求1所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述布拉格反射层上还设有表面功能层，所述表面功能层的材质包括氧化锌、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇、氧化钽、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氟化镁、氧化硅、氟化钙、PET、PEN、PI、PC、PMMA、PTFE、PDMS、TPU、纤维素中的至少一种。

10.如权利要求1～9中任一项所述的彩色辐射制冷材料，其特征在于，所述彩色辐射制冷材料还包括保护层，所述保护层形成于所述表面功能层背离所述布拉格反射层的一面上。

11.一种彩色辐射制冷材料的制备方法，其特征在于，包括：

提供一沿设定方向延伸的基底层；

在所述基底层的一面上沉积金属层；

在所述金属层上沉积间隔层；

在所述间隔层上依次层叠沉积第一介质层和第二介质层，所述第一介质层的折射率与第二介质层的折射率不同，且所述第一介质层的厚度与第二介质层的厚度不同；

所述金属层、间隔层、第一介质层和第二介质层共同形成塔姆结构。

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