基于巨瘤角天牛绒毛的仿生辐射冷却复合薄膜研究

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被动辐射冷却通过透明大气窗口向太空辐射热量以实现降温效果且无需额外能源输入。通过合理的光子结构设计可实现反射率和发射率的有效调控,然而大面积低成本的制备光子结构材料以实现高效辐射冷却效果仍是目前面临的关键难题。自然界中的某些生物进化出具有宽带反射及热调控能力的独特精细光子结构,可为新型辐射冷却结构材料的设计和制备提供设计思路和模型支持。本课题聚焦生活在热带地区的巨瘤角天牛(N.gigas),通过形貌及光学性能研究发现其前翅绒毛具有辐射冷却降温的效果,有助于炎热气候下的对生物体进行热调控,并提炼出一种新型双尺度三角形结构模型。阐述绒毛结构在可见近红外波段全内反射与米氏散射效应以及中红外波段梯度折射渐变的协同增益效应从而实现辐射冷却特性。基于此,本课题利用仿生策略构筑特定光子结构并对结构阵列及掺杂尺寸进行模拟优化,开发出通用的三刻蚀双旋涂真空热固化工艺制备金字塔构型仿生辐射冷却薄膜。光热测试研究表明,薄膜在太阳光波段具有95%的反射率,在透明大气窗口波段具有96%的辐射率,太阳直射情况下能够将环境温度降低5.1℃,平均降温功率为90.8W/m~2,该性能与国内外最新性能水准相当。此外,薄膜同时具备较好的柔性与强度以及优异的疏水性能,在人体可穿戴降温及器件散热等方面的应用,均取得良好效果。
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