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这件衣裳:正穿温暖,反穿凉爽
发布人: 发布时间:2021-05-17 浏览次数:


光照下进行热电产生实验

材料的原理示意图和实物图 受访者供图

 

如果一件衣裳,正穿温暖,反穿凉爽,穿上它还可全天发电,给你的耳机充电,让你闪闪发光。你是不是现在就想来上一件。

日前,浙江大学光电学院教授李强与西湖大学工学院教授仇旻联合团队,研发出一款微纳热管理材料,它可以制成衣服,一面能给使用者带来温暖,另一面能帮助人们保持凉爽。此外,该材料还有望用于建筑物热管理,为节能减排开拓新思路。近日,相关研究在《纳米通讯》杂志上发表。

正穿温暖,反穿凉爽

“这种材料有两层,上层为白色,用于散热。下层为灰黑色,能够保温。”李强告诉《中国科学报》,“夏天或者白天人们需要散热时,就把白色层穿在外边。冬天或者夜间需要保温时,把衣服反过来,黑色层穿在外边即可。”

这种双层材料中间是带有纳米孔的铝,铝的一侧是两种有机材料ePTFE(户外衣服常用材料) 和 PMMA。其中,多孔的 PMMA 涂层涂覆在 ePTFE 上,可以增强辐射散热,还能高效散射太阳辐射能量。铝的另一侧采用纳孔聚乙烯上沉积锌、铜纳米颗粒的方法,可来抑制辐射散热、并高效吸收太阳辐射能量。

“也就是说,保温时它能尽可能地吸收太阳的热量,并将人体热辐射反射回皮肤。散热时尽可能散射太阳光,同时高效地将人体热辐射散到外界环境中。”李强说,“织物材料整体厚度只有约 0.3毫米,比普通的 T 恤(约 0.5毫米)还要薄。”

为测试这种微纳材料的性能,研究人员将其与黑、白两种颜色的棉布放到太阳下对比,并记录模拟皮肤的温度变化。

“实验表明,在阳光下,保温模式时该材料比黑色棉布让模拟皮肤多升温14oF(约8℃)。散热模式时,比白色棉布让模拟皮肤降温约11oF(约6℃);在晴朗的夜晚,保温模式时模拟皮肤温度比白色棉布提高了5oF(约 3℃)。”该论文共同第一作者罗皓说,“通过两种模式的切换,模拟皮肤能保持在舒适的温度范围。”

这种材料的织物表面广泛分布着微纳孔结构,其孔隙远大于水汽分子的直径,因而可以保证水汽在织物内部畅通无阻。透水汽性能测试发现,这种织物的水汽透过率和棉基本相同。因此,它能让人们的皮肤触感接近正常衣服。

“这种材料可以直接使用常规的工具(包括剪刀)进行裁剪加工。”李强说,“日常清洁方面,这种衣服可以采用清水洗涤方式。我们做过10次水洗实验,每次机洗1小时,10次机洗后性能依然良好。”

因为该材料加工涉及磁控溅射与喷涂等常规工艺,在日常清洗或保养时,10次水洗之后,性能会有所衰减。

“如果在保温面喷涂一层疏水喷雾,就可以解决这个问题(保养护理过程中多次水洗)。”李强说。

研究人员在实验室加工过程中,从市场上购买相关材料成本是每平方米40元左右。

“其中PTFE成本20元,而且这部分可以进一步降低。另外20元主要为PMMA成本,大批量采购的话价格肯定也会更低。”李强说,“此外,PMMA层并非必须,它的主要作用是为进一步增强散热性能。”

化身移动“充电宝”

用这种材料做成的衣服,皮肤和衣服间能产生“温差”,如果把热电材料放在两个有温差的物体中间,就能将热能转化成电能。这自然让科学家想到它的另一个“附赠”的应用——发电。

研究发现,按照当前热电材料产生电能的效率,中午在保温模式下,这种微纳材料覆盖下热电模块可产生69毫瓦/平方米的电能。夜间在散热模式下也能产生约24毫瓦/平方米的电能。

“人体表面约1.6平方米,正午最大能产生110毫瓦的功率。我们平时使用的耳机功率约十几毫瓦,所以它完全可以给耳机充电。”李强说,“智能手机的功率约5瓦,因此目前还不能为手机充电。”

李强解释说,衣服和皮肤的温度差肯定不能太大,否则会灼伤皮肤,所以利用这个温差也有一定的局限性。另一个能够提升发电功率的因素是热电模块的温度电压系数,“但这是个热电材料的问题,还需要进一步提高材料科技水平”。

研究人员希望,随着相关技术的逐步提高,这种功能可用来为人们的可穿戴电子设备供电。

微纳热管理或有大应用

热辐射是热量传递的三种方式之一。热辐射在热管理、能源利用、红外隐身及红外检测等领域发挥着重要作用。近年来,随着微纳光子学发展,法布里—珀罗光学腔、光栅、光子晶体以及超表面等微纳结构研究愈发成熟,人们将这些结构应用到热辐射中,为热辐射的光谱和空间调控提供了基础,通过热辐射途径来调控人体和外界热交换成为可能。

除用于制衣之外,这种微纳结构材料还可用于建筑物的热管理等。

“我们通常认为出汗越多,排出的热量越多。这当然没错,但实际上人体绝大多数热量是通过辐射光波出去的。”仇旻对《中国科学报》说,“人体65%的能量是通过热辐射散发出去,所以如果要保温,最好的办法是降低热辐射,如果要散热最好的办法是增强热辐射。虽然增强热辐射有点难,但保温是可以做到的。”

仇旻解释说,人们可以通过纳米结构,改变材料的辐射效果,目前用微纳结构来改变热辐射,已经用了一些应用,比如隐身、进行热辐射管理等。如果在物体表面覆盖一层这种微纳薄膜,可以改变它的热辐射,让它表面温度降下来。“比如,在夏天,如果我们在屋顶覆盖这样的材料,能让室内温度降低4至5摄氏度”。

随着微纳结构热辐射调控技术的发展,人们在热管理和能源利用方面或将拥有更多的自由。(来源:中国科学报 张双虎)

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00400

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