2016年11月11日 星期五 09:15:33
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中国科研人员研发出零能耗光学超材料织物,穿在身上,还能降温!

发表时间:2021/8/9

气候变暖已经成为全人类共同面临的巨大挑战。人们在生产和作业时往往会不可避免地暴露在高温暴晒的室外环境,实现零能耗的户外防护成为人们迫切的需求。如何高效率、低能耗地避免此类热应激对人体造成的伤害?近期发表于国际顶尖学术期刊《Science》杂志的论文中,华中科技大学陶光明团队与浙江大学马耀光教授团队、中国纺织科学研究院陶光明智能织物工作室等多家科研和产业单位进行交叉学科联合创新,颠覆传统制冷理念,研发出了在阳光直射的室外环境下具有显著降温效果的零能耗光学超材料制冷织物。据悉,该织物户外暴晒环境下可为人体表面降温近5℃,具有优异的日间辐射制冷能力,对实现高效的户外个人热管理具有重要意义。


科研人员研发出的制冷织物


人体热量从皮下组织传导到皮肤,再通过衣物向周围环境散发热量,从而维持动态热平衡和相对稳定的体温。因此,通过衣物进行个人热管理是维持人体个性化热舒适需求的有效方法。但是现有的降温服装存在降温效果差、笨重不轻便、耗能高等问题。因此近年来基于辐射热调节的织物吸引了越来越多学术界和产业界的关注。由于人体红外辐射范围(7~14μm)与大气透明窗口(8~13μm)重叠,人体的热辐射可以直接通过大气透明窗口向外太空进行辐射制冷,从而实现零能耗的降温。所以利用人体穿戴织物进行辐射制冷可显著提高人体热舒适性能且不需要任何外部能量输入,是传统耗能热管理技术极具潜力的替代及补充方案。

据了解,研究人员研发的这种智能制冷织物具有分级形态结构。根据织物空间结构、纤维结构、纤维内部纳米结构,在不同的空间和尺度上进行分级,形成了一种宏观有序、微观随机的形态学分级体系。


用于日间辐射冷却的超材料制冷织物原理示意图


研究人员将光电超材料技术与批量纤维制备技术相结合,选用绿色环保、生物可降解的聚乳酸(PLA)为纤维原料,经过进一步加工,获得了均匀连续的超材料纤维。纤维强度可满足缝纫机在商用面料上进行任意文字和形状的绣花。在此基础上,研究人员进一步利用纺纱织造技术和层压技术,得到了在太阳光波段具有92.4%反射率、在中红外波段具有94.5%反射率的超材料织物。


超材料织物的降温性能测试:

(a)测试装置示意图和样品照片;(b)超材料织物24小时连续制冷性能测试曲线图


另外,研究人员模拟人体测试发现,正午时间段超材料织物所覆盖的模拟皮肤温度相较于棉、氨纶、麻织物可降低5~7℃。


超材料织物与商用织物降温性能对比测试:

(a)测试装置示意图和样品照片(b)超材料织物制冷性能对比测试曲线图


在对汽车模型的降温测试中,覆盖超材料制冷织物的汽车模型内部温度相比覆盖车罩的汽车模型温度差最高可达27℃,相较于无覆盖的汽车模型温度差最高可达30℃。


超材料织物与商用市售车罩降温性能对比测试:

(a)模拟汽车实物及红外照片;(b)制冷性能对比测试曲线图


研究人员介绍,超材料织物价格与普通衣服相差不大,这也意味着,与目前价格较贵的液冷服、空冷服相比,超材料织物能使更多普通人享受到这一科技成果。该超材料织物还成功应用于医用防护口罩和医用防护服,与传统医用防护材料相比,可实现户外有效降温。据悉,该超材料织物的生产对设备要求不高,具备零能耗、低成本、可产业化批量生产等特征,适合大规模推广制备和产业化应用。(本文来自公开资料整理)


(来源:纺织导报官微)