CN216159381U - 一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜 - Google Patents
一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，包括基体，基体内部均匀分布有第一散射体与第二散射体，第一散射体为可侵入散射体，第二散射体为固态，第二散射体部分侵入到第一散射体内，形成散射体界面。本实用新型的有益效果：通过引入第二散射体，增加了散射系数，形成了散射体界面，进而形成增强的Mie散射，降低了依靠散射的辐射制冷器的厚度依赖性，使用成本降低，光学性能提高，避免了因为膜层过厚，应力不均匀形成的膜层卷曲现象，提升便利性和可靠性，第二散射体和两种散射体间所形成的界面是人工添加形成的，具有大小和体积分数的可控性质，优于多级孔薄膜的散射体不可控的特性，力学性能强，结构可靠，进一步提升了性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及辐射制冷技术领域，具体为一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜。
背景技术
辐射制冷技术的实现需要满足两点基本的要求：辐射制冷薄膜需要对太阳能波段(300nm-2500nm)能量具有接近单位1的反射率，辐射制冷薄膜需要在大气窗口波段(8um-14um)具有接近单位1的发射率，Mie散射及其提高反射率的原理：当入射光波长与障碍物粒子的大小可相互比拟时，光波与粒子相互作用后将会发生Mie散射。当发生Mie散射时，有两个独立的变量，即：归一化的复折射率：
尺寸参数：
其中，n+ik是粒子的复折射率，n0是粒子所处的周围介质的折射率，D是粒子的直径，粒子的散射能力将会由四个关键参数评价，即Qsca(散射系数)、Qabs(吸收系数)、Qext(消光系数)以及g(相位因子)，其中：Qabs＝Qext-Qsca。三个散射系数用以描述颗粒的散射的、吸收的以及整体消光的效率，g表示发生Mie散射后，向前散射和向后散射的能量的比值，主要反映散射的方向性，在得到单个粒子的散射系数后，需要通过简单的加和原理获得包含散射体的膜层的散射系数以及相位因子，其主要计算公式为：
其中：σ表示膜层的散射系数，κ表示膜层的吸收系数，gt表示膜层的相位因子，膜层的反射率由以上三个参数决定，可以通过MonteCarlo算法或者基于光纤追迹法的仿真软件进行反射率的模拟。
目前，利用Mie散射原理制备的辐射制冷薄膜不在少数，如文献《Hierarchicallyporous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiativecooling》介绍了一种利用多级孔作为散射体的辐射制冷薄膜，膜层中，具备平均直径为5um的微孔以及平均直径为200nm的纳孔，这些多级空气孔就是Mie散射的散射体，利用其散射，膜层将会对太阳薄膜的能量具有很强的反射率，然而该膜层仅仅具备一种散射体，只能进行普通的散射，故而具有严重的厚度依赖性，当厚度过大时会出现卷曲现象。除此之外，散射体的大小受到温度，湿度，蒸发速率等因素的影响，难以控制，无法在多变的环境中进行使用。
专利公开号：CN110216924 A公开了一种复合辐射制冷薄膜，此薄膜中引入了泡孔和以及添加剂，此专利的泡孔和添加剂都出现在发射层中，其目的是为了提高大气窗口波段的发射率，而并非提高反射率，此专利为实现太阳能波段的高反射而设置了处于发射层下方的反射层，反射层仍然利用金属材料。故而，该专利结构复杂，并且未能避免金属的紫外吸收。
专利公开号：CN110972467 A为上一件对比专利的协同专利，具有与上一件专利一样的构造及缺点。
专利申请号：201820504784.5，公开了一种散射的辐射制冷图层，该图层仅利用微球进行散射太阳光并辐射能量，也属于普通的散射类型，并且，微球之间无任何粘连物质，其力学性质不能保证。
针对目前的光子晶体类型的辐射制冷薄膜、“金属反射层+发射层”辐射制冷薄膜以及以上背景技术方案，可以将他们的缺点汇总如下：
针对多级孔辐射制冷薄膜，其主要缺点为：依靠单一种类散射体的常规散射能力来形成反射率，具有很强的厚度依赖性。散射体的大小难以控制。
针对光子晶体类型的辐射制冷薄膜，其主要缺点为：结构复杂而不牢靠，层间结合力难以控制，容易出现膜层脱落的情况，其对光线的反射属于镜面反射，容易形成光污染，限制了其使用场景，制备成本高昂，需要引入精密的微纳加工技术，并且无法大面积制备，制备而成的辐射制冷薄膜是硬性薄膜，无法卷曲，应用场景受限，结构耐久性差，实际应用场景中难以长时间的稳定使用。
针对“金属反射层+发射层”类型的辐射制冷薄膜，其主要缺点为：金属层在紫外波段存在本征吸收，极大的限制了辐射制冷薄膜的性能提升，金属层的制备需要引入真空蒸镀过程，此过程成本高昂，并且金属材料本身也是高成本的，部分仍然使用无机物为发射层的辐射制冷薄膜，具有和光子晶体类型一样的缺点如：硬性，制备成本高昂，无法大面积制备。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，包括基体，所述基体内部均匀分布有第一散射体与第二散射体，所述第一散射体为可侵入散射体，所述第二散射体为固态，所述第二散射体部分侵入到所述第一散射体内，形成散射体界面。
优选的，所述基材为PMMA、PAN、PVDF、P(VdF-HFP)、PE、TPX、PA6或 PDMS。
优选的，所述第一散射体与所述二散射体的形状可以为球形、椭圆形、纺锤型、方形、圆柱形以及不规则的团聚形状中的一种或者多种。
优选的，所述第一散射体的材料为空气，所述第二散射体的材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛。
优选的，所述第一散射体与所述第二散射体形状不同，散射体具有一个或者多个特征长度。
优选的，所述第一散射体与所述第二散射体的特征长度的范围在50nm-20 μm之间。
优选的，所述膜层厚度范围大于30μm。
优选的，所述基体在整个膜层所占的体积分数为40％-90％，所述第一散射体与所述第二散射体的在整个膜层所占的体积分数分别为5％-50％、1％-15％。
有益效果：
本实用新型所提供的增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，通过引入第二散射体，增加了散射系数，更形成了散射体界面，进而形成增强的Mie散射，降低了依靠散射的辐射制冷器的厚度依赖性，使用成本进一步降低，同时光学性能得到提高，同时，由于降低了薄膜的厚度，避免了因为膜层过厚，应力不均匀形成的膜层卷曲现象，提升了使用的便利性和可靠性，第二散射体和两种散射体间所形成的界面是人工添加形成的，具有大小和体积分数的可控性质，优于多级孔薄膜的散射体不可控的特性，力学性能强，结构可靠性强，排除了金属反射层的使用，降低了成本，进一步提升了性能。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构平面示意图；
图2为本实用新型实施例1中扫描电镜示意图；
图3为本实用新型实施例3中光谱示意图；
图4为本实用新型实施例4中降温性能示意图。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
实施例1
基材为PVDF，第一散射体为空气，第二散射体为氧化铝，第一散射体形状为不规则团聚形，特征长度范围为20nm-500nm，1um-8um，第二散射体的形状为球形，特征长度为8um，第一散射体的体积分数为25％，第二散射体的体积分数为5％，膜层厚度为250um。
实施例2
基材为P(VdF-HFP)，第一散射体为空气，第二散射体为二氧化硅。第一散射体形状为球形，特征长度为1.5um，第二散射体的形状为圆柱形，底面特征长度为500nm，柱长特征长度为2um，第一散射体的体积分数为15％，第二散射体的体积分数为15％，膜层厚度为100um。
实施例3
基材为P(VdF-HFP)，第一散射体为空气，第二散射体为二氧化硅，第一散射体形状为不规则团聚形，特征长度为200nm和5um，第二散射体的形状为球形，特征长度为8um，第一散射体的体积分数为20％，第二散射体的体积分数为9％，膜层厚度为200um。
实施例4
基材为PDMS，第一散射体为空气，第二散射体为二氧化钛。第一散射体形状为球形，特征长度为1um；第二散射体的形状为球形，特征长度为200nm、 500nm、1um、2um。第一散射体的体积分数为20％，第二散射体的体积分数为 16％，膜层厚度为80um。
利用两种散射体的叠加，形成了散射体间的界面，加强了Mie散射，从而提高了样品反射率，样品仅一层，无需使用金属层反射太阳能量，结构简单，制备成本低，散射体通过添加形成，大小、比例容易控制，散射体并非一定要为传统的球形，形状多变，特征长度多，利于宽波段的散射，反射率的厚度依赖性降低，可以在很薄的膜厚呈现出很高的反射率，太阳反射比可以达到94％，发射比可以达到96％，日间最高降温可达10℃。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型性的保护范围之内的实用新型内容。
Claims (5)
1.一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，包括基体，其特征在于：所述基体内部均匀分布有第一散射体与第二散射体，所述第一散射体为可侵入散射体，所述第二散射体为固态，所述第二散射体部分侵入到所述第一散射体内，形成散射体界面。
2.根据权利要求1所述的增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，其特征在于：所述第一散射体与所述二散射体的形状为球形、椭圆形、纺锤型、方形、圆柱形中的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，其特征在于：所述第一散射体的材料为空气，所述第二散射体的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛之一。
4.根据权利要求1所述的增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，其特征在于：所述第一散射体与所述第二散射体形状不同，散射体具有一个或者多个特征长度。
5.根据权利要求1所述的增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜，其特征在于：所述第一散射体与所述第二散射体的特征长度的范围在50nm-20μm之间。
Priority Applications (1)
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| CN202120403074.5U CN216159381U (zh) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜 |
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Publications (1)
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| CN202120403074.5U Active CN216159381U (zh) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 一种增强Mie散射的单层辐射制冷薄膜 |
Country Status (1)
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2021
- 2021-02-24 CN CN202120403074.5U patent/CN216159381U/zh active Active
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