高熵光熱薄膜助力人體熱管理研究獲進(jìn)展

保持舒適的新陳代謝溫度對(duì)維持人體的基本生理功能至關(guān)重要。在戶外，靜止的成人通過紅外輻射消耗大約50%的熱量，而傳統(tǒng)的紡織材料（如棉和滌綸）具有高紅外發(fā)射率（~90%），導(dǎo)致大量輻射性熱量損失。因此，對(duì)織物表面進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)人體熱管理將會(huì)彌補(bǔ)這些缺陷。目前已報(bào)道的熱管理織物吸收率并不理想，在寒冷的天氣下不能有效加熱人體，而現(xiàn)有的選擇性吸收涂層技術(shù)在普通棉布表面由于高粗糙度會(huì)失去光譜選擇性。因此，研究零能耗熱管理織物具有重要意義。

(資料圖)

近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員高祥虎、劉剛團(tuán)隊(duì)等通過磁控濺射方法在普通棉布表面制備了基于高熵氮化物（ZrNbMo-Al-N）的多層薄膜，實(shí)現(xiàn)了具有較高光譜選擇性的人體熱管理織物。研究人員通過建立穩(wěn)態(tài)傳熱模型發(fā)現(xiàn)織物高吸收率和低發(fā)射率對(duì)人體在低溫環(huán)境下保溫都有貢獻(xiàn)，特別是吸收率的優(yōu)化，能夠有效增加在戶外光照環(huán)境下的保溫能力（圖1）。

據(jù)此，研究人員通過理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)多層薄膜光學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化（圖2）。優(yōu)化后的選擇性吸收涂層在金屬鋁修飾的棉布上實(shí)現(xiàn)了92.8%的高吸收率和39.2%的低發(fā)射率，具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化效率（82.2 %，600 W m-2，0℃），相比于已報(bào)道的太陽能加熱織物具有明顯優(yōu)勢(shì)。研究人員對(duì)織物的加熱能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于織物較低的發(fā)射率，使得室內(nèi)空調(diào)的設(shè)定溫度降低3.5℃，從而減少了能源消耗。

冬季早晨，盡管太陽光強(qiáng)度只有350W m-2，空氣溫度為7.5℃，利用該團(tuán)隊(duì)研究的高熵保溫織物可使人體表面溫度提高12℃（圖3）。同時(shí)，該織物還保持了棉布的可穿性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，其具有良好的水蒸氣透過率、透氣性和耐久性。經(jīng)過不同的洗滌周期，該織物仍保持優(yōu)異的光學(xué)性能。

該團(tuán)隊(duì)提出的高熵織物具有良好的光熱轉(zhuǎn)化效率、透氣性、水蒸氣透過率、機(jī)械強(qiáng)度、耐久性、可洗滌性和易于制備等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)織物人體熱管理的研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果以Efficient Warming Textile Enhanced by a High-Entropy Spectrally Selective Nanofilm with High Solar Absorption為題發(fā)表在Advanced Science上。

相關(guān)研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、甘肅省科技重大專項(xiàng)和蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破項(xiàng)目的支持。

圖1 高熵保溫織物的保溫機(jī)制及理論驗(yàn)證

圖2 高熵保溫織物的制備及光學(xué)性能

圖3 高熵保溫織物保溫性能的戶外驗(yàn)證

來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所

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