CN115651243B - 一种热自调控的辐射冷却薄膜及其制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及辐射冷却散热技术领域，特别涉及一种热自调控的辐射冷却薄膜及其制造方法和应用，包括聚合物基质，由具有柔韧性的有机高分子聚合物制成，其内随机添加微纳米核壳颗粒，所述微纳米核壳颗粒的核由具有热变色特性的无机介电材料制成，壳体由具有高折射率的无机介电材料制成；光谱选择性薄膜，敷设在所述聚合物基质表面，所述光谱选择性薄膜为对红外高透过，可见光高反射的薄膜；本发明可以随着温度的变化实现热自调控辐射冷却，相比于单层微粒调控性能更强，更适合用于热自调控辐射冷却材料。
Description
技术领域
本发明涉及辐射冷却散热技术领域，特别涉及一种热自调控的辐射冷却薄膜及其制造方法和应用。
背景技术
主动制冷技术需要消耗大量的能源，而在能源开发和利用过程中会排放温室气体，加剧全球变暖和热岛效应，导致极热天气出现频率增加，引发生态问题。开发被动式冷却技术已经成为目前重要研究方向之一。辐射冷却技术通过对红外辐射具有高透过率的“大气窗口”(8-13μm)向外太空释放辐射热，不需要消耗任何能源就可以使物体表面降温。
一般的辐射冷却材料没有根据温度进行热自调控的能力。但由于温差的存在，这类材料会在黑夜或冬天等不需要冷却的工况下进行过度冷却，严重影响了材料在节能建筑、可穿戴电子设备表面热管理、航天散热、以及个人热管理等方面的应用。
为了实现辐射冷却材料的热自调控能力，通常在薄膜中引入一层具有相变能力的单层微粒，但一般拥有热自调控能力的辐射冷却材料所采用的微/光子结构具有材料加工工艺复杂、不易量产、成本高昂、材料耐久性差等缺点，尤其是热自调控能力较弱，适用场合有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种热自调控的辐射冷却薄膜及其制造方法和应用，以解决现有辐射冷却薄膜中单层微粒热自调控冷却能力弱的问题。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：
第一方面，本发明提供了一种根据温度进行热自调控的辐射冷却薄膜，包括：
聚合物基质，由具有柔韧性的有机高分子聚合物制成，其内随机添加微纳米核壳颗粒，所述微纳米核壳颗粒的核由具有热变色特性的无机介电材料制成，壳体由具有高折射率的无机介电材料制成；
光谱选择性薄膜，敷设在所述聚合物基质表面，所述光谱选择性薄膜为对红外高透过，可见光高反射的薄膜。
作为进一步的技术方案，具有热变色特性的无机介电材料为二氧化钒。
作为进一步的技术方案，高折射率的无机介电材料为硫化锌或氟化钡。
作为进一步的技术方案，采用均相沉淀法合成所述微纳米核壳颗粒并将其随机引入所述聚合物基质中。
作为进一步的技术方案，所述聚合物基质为聚乙烯。
作为进一步的技术方案，所述光谱选择性薄膜为掺杂硫化锌或氟化钡的聚乙烯气凝胶薄膜。
作为进一步的技术方案，所述微纳米核壳颗粒随机分散添加在所述聚合物基质中。
作为进一步的技术方案，所述微纳米核壳颗粒在所述聚合物基质中的浓度为15％～25％。
第二方面，本发明提供了一种根据如第一方面所述辐射冷却薄膜的制造方法，包括以下步骤：
在制造聚合物基质过程中，将采用均相沉淀法合成的微纳米核壳颗粒随机添加到聚合物基质内，并将光谱选择性薄膜敷设在聚合物基质表面。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的辐射冷却薄膜在可穿戴电子设备以及户外通讯设备散热中的应用。
上述本发明的有益效果如下：
(1)本发明中的辐射冷却薄膜中添加微纳米核壳颗粒，且核由具有热变色特性的材料制成，这使其可以随着温度的变化实现在不消耗任何能量的条件下热自调控辐射冷却。
(2)本发明中的辐射冷却薄膜中添加的为微纳米核壳颗粒，且壳体由具有高折射率的无机介电材料制成，相比于单层微粒调控性能更强，更适合用于热自调控辐射冷却材料。
(3)本发明采用了介电材料，使辐射冷却薄膜具有较低的介电常数与介电损耗，不会阻碍信号的传播，适合用于可穿戴电子设备散热以及其他户外通讯设备散热。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了本发明实施例中辐射冷却薄膜结构示意图；
图2示出了本发明实施例中辐射冷却薄膜冷却功率曲线图；
图3示出了本发明实施例中核壳颗粒与单层颗粒热自控能力对比示意图。
图中：1、光谱选择性薄膜；2、聚合物基质；3、核；4、壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种热自调控的辐射冷却薄膜，包括：
聚合物基质2，由具有柔韧性的有机高分子聚合物制成，其内随机添加微纳米核壳颗粒，微纳米核壳颗粒的核3由具有热变色特性的无机介电材料制成，壳体4由具有高折射率的无机介电材料制成；
光谱选择性薄膜1，敷设在聚合物基质2表面，光谱选择性薄膜1为对红外高透过，可见光高反射的薄膜。
本实施例中的辐射冷却薄膜中添加微纳米核壳颗粒，且核3由具有热变色特性的材料制成，这使其可以随着温度的变化实现在不消耗任何能量的条件下热自调控辐射冷却。
另外，本实施例中的辐射冷却薄膜中添加的为微纳米核壳颗粒，且壳体4由具有高折射率的无机介电材料制成，相比于单层微粒调控性能更强，更适合用于热自调控辐射冷却材料，如图3所示。
具有热变色特性的无机介电材料为二氧化钒(VO2)。VO2满足制备拥有热自调控能力辐射冷却薄膜的两个重要特性：1)VO2随着温度升高会发生从红外透明到红外反射的可逆相变，这使其可以实现辐射冷却材料的热自调控能力；2)VO2具有较低的可逆相变温度且可以通过掺杂等方式降低相变温度至室温附近，这使其可以在室温下进行相变，实现热自调控辐射冷却材料的的实际应用。
高折射率的无机介电材料为硫化锌(ZnS)或氟化钡(BaF2)。高折射率的壳体材料可以增加共振峰数，使得核壳粒子在更宽的波长范围内存在很强的散射和吸收，使得核壳粒子在高温下具有宽波段且高的吸收系数，提高高温下的辐射冷却能力，且致密核体材料可以有效防止VO2被氧化为无热自调控能力的V2O5。
本实施例采用了介电材料，使辐射冷却薄膜具有较低的介电常数(2.3～3.4)与介电损耗(0.0005)，不会阻碍信号的传播，适合用于可穿戴电子设备散热以及其他户外通讯设备散热。
采用均相沉淀法合成微纳米核壳颗粒并将其随机引入聚合物基质2中。
本实施例的辐射冷却薄膜结构简单，容易加工，这使其适合大规模生产，且成本较低，经济性好。
为了保证较好的热自调控效果，微纳米核壳颗粒随机分散添加在聚合物基质2中，使其较为均匀的分在聚合物基质2中。
微纳米核壳颗粒在聚合物基质2中的浓度为15％～25％，本实施例中VO2微纳米核壳颗粒的浓度为20％。
聚合物基质2为聚乙烯(PE)。光谱选择性薄膜1为掺杂硫化锌(ZnS)或氟化钡(BaF2)的聚乙烯气凝胶薄膜。
本实施例中，使用均相沉淀法合成VO2微纳米核壳颗粒并将其随机引入聚乙烯(PE)聚合物基质2中，制造了拥有热自调控能力的辐射冷却薄膜。VO2微纳米核壳颗粒一般均匀分散。薄膜厚度(不含光谱选择性薄膜1)为25μm，VO2微纳米核壳颗粒的浓度为20％，VO2微纳米核壳颗粒的粒径为4μm，VO2微纳米核壳颗粒的内外径之比为0.75。该拥有热自调控能力的辐射冷却薄膜在相变前制冷功率低于-26W/m2，相变后制冷功率高于33W/m2，如图2所示，Tamb为环境温度、Vwind为风速、h为传热系数。
在本实施例中，该辐射冷却薄膜具有较低的介电常数(2.3～3.4)，介电损耗在0.0005左右。不会干扰信号的传播。
实施例2
本实施例提供了一种根据实施例1中辐射冷却薄膜的制造方法，包括以下步骤：
在制造聚合物基质2过程中，将采用均相沉淀法合成的微纳米核壳颗粒随机添加到聚合物基质2内，并将光谱选择性薄膜1敷设在聚合物基质2表面。
实施例3
本实施例提供了一种如实施例1中辐射冷却薄膜在可穿戴电子设备以及户外通讯设备散热中的应用。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种热自调控的辐射冷却薄膜，其特征在于，组成为：
聚合物基质，由具有柔韧性的有机高分子聚合物制成，其内随机添加微纳米核壳颗粒，所述微纳米核壳颗粒的核由具有热变色特性的无机介电材料制成，壳体由具有高折射率的无机介电材料制成；
光谱选择性薄膜，敷设在所述聚合物基质表面，所述光谱选择性薄膜为对红外高透过，可见光高反射的薄膜；
所述具有热变色特性的无机介电材料为二氧化钒；
所述具有高折射率的无机介电材料为硫化锌或氟化钡；
所述微纳米核壳颗粒随机分散添加在所述聚合物基质中；所述微纳米核壳颗粒在所述聚合物基质中的浓度为20%，所述微纳米核壳颗粒的粒径为4μm，微纳米核壳颗粒的内外径之比为0.75；
所述光谱选择性薄膜为掺杂硫化锌或氟化钡的聚乙烯气凝胶薄膜。
2.如权利要求1所述的一种热自调控的辐射冷却薄膜，其特征在于，采用均相沉淀法合成所述微纳米核壳颗粒并将其随机引入所述聚合物基质中。
3.如权利要求1所述的一种热自调控的辐射冷却薄膜，其特征在于，所述聚合物基质为聚乙烯。
4.一种如权利要求1~3任一项所述辐射冷却薄膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在制造聚合物基质过程中，将采用均相沉淀法合成的微纳米核壳颗粒随机添加到聚合物基质内，并将光谱选择性薄膜敷设在聚合物基质表面。
5.一种如权利要求1~3任一项所述的辐射冷却薄膜在可穿戴电子设备以及户外通讯设备散热中的应用。
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