今日Science: 具有智能开关功能的辐射散热材料

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在此背景下，伯克利加州大学的Junqiao Wu（吴军桥）教授课题组成功开发出新型的智能辐射散热材料（温度自适应辐射覆盖层，Temperature-adaptive radiative coating, TARC）。在建筑物表面温度高于最宜居住温度（22 °C）时，TARC会自动（无能耗）提高红外辐射率，进行辐射散热以实现制冷功能；在建筑物表面温度过低时，TARC会自动（无能耗）降低红外辐射率，以帮助建筑物保暖 （图1）。在整个过程中，TARC起到的功能类似于无能耗的“智能空调”。从全年平均能耗的角度来看，TARC显著优于所有传统的非智能屋顶材料。上述研究成果以“Temperature-adaptiveradiative coating for all-season household thermal regulation”为题发表于顶级期刊Science，北京大学助理教授唐克超（原伯克利加州大学博士后），伯克利加州大学博士后董恺琛，与伯克利加州大学博士研究生李嘉琛为共同一作。

图1. TARC的智能辐射散热功能示意图

TARC的基本结构如图2所示，其实现智能开关的核心为氧化物相变材料W_xV_1-xO₂与光学超材料微纳结构。当温度小于W_xV_1-xO₂的相变温度（约22 °C）时，W_xV_1-xO₂处于绝缘态且TARC具有极低的红外辐射率；当温度高于该相变温度时，金属态W_xV_1-xO₂微米阵列将产生等离子体谐振效应，大幅增加TARC的红外辐射率。对TARC的红外光谱表征发现， TARC在高温下的红外辐射率高达0.9，能够有效帮助建筑物降低温度；当温度下降且W_xV_1-xO₂发生由金属态到绝缘态的相变后，TARC的红外辐射率大幅降低到0.2，有效避免了传统辐射散热材料在低温时的过度制冷问题。除此之外，TARC的阳光吸收率（0.25）也经过了优化设计，可以在大部分地区实现节能效果的最大化。研究人员还可以针对不同地区的气候特点，针对性地设计TARC的阳光吸收率，使其在本地实现最优节能效果。此外，借助成熟的制造技术，TARC可以在柔性薄膜上加工，以广泛适应不同建筑物种类与应用场景。

图2.  TARC的工作原理与光谱表征结果

研究团队使用极低温真空腔室模拟了天空，并在其中测量了TARC的红外辐射功率。由图3 可见，当衬底温度低于W_xV_1-xO₂的相变温度时，TARC的辐射功率一直处于较低水平；在衬底温度升高后，TARC的辐射功率迅速攀升，开始进行高性能的辐射散热。此模拟实验测算出TARC在低温和高温状态的辐射率分为0.2和0.9，完全符合此前的红外光谱表征结果。

图3. 真空腔室中测量的TARC辐射功率随温度变化关系

最后，研究团队在户外环境中对TARC的智能辐射散热能力进行了实地测试。相比于传统非智能辐射散热涂层（红外辐射率固定），TARC在气温较高的白天具有与之相媲美的高辐射散热能力；而在夜晚当地温度降低到20 °C以下时，TARC自动切换成了低辐射率的工作模式，使其表面温度显著高于过冷状态下的传统非智能辐射散热涂层，起到了保温效果。此户外实验结果与根据当地气候资料进行的模拟计算结果高度契合。最后，研究团队综合考虑不同地区的地表环境、气候资料与建筑物的类型，借助数学模型计算了TARC在不同地区的节能优势：除长年炎热（如美国佛罗里达州）和长年寒冷（如美国阿拉斯加州）的地区外，TARC对目前存在的所有非智能屋顶材料都具有绝对的优势。以美国巴尔的摩的一栋118平方米的独立住宅为例：如果用TARC覆盖其屋顶，平均每年可额外节省至少2.6 GJ（约722 kWh）的能耗。

图4. TARC的户外测试结果，以及TARC相对传统非智能辐射材料的全年节能优势。图C中的红色圆圈代表不同地区TARC相对现阶段最优传统材料的额外全年节能量。

TARC具有非常广阔的产业化应前景以及针对不同地区进行深度定制的应用潜力。例如：通过在TARC表面覆盖一层无毒且疏水的高分子薄膜，可以有效减小环境中尘埃与湿气的影响，进而大幅提高TARC的工作寿命。此外，TARC技术可以拓展到航空航天设备、移动电子设备，汽车电池和织物类的自动温度控制等领域，其未来的广泛应用将在智能温度管理和节能减排方面起到巨大的作用。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf7136

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