上海交通大学崔可航课题组在零能耗全季节热控材料研究上取得重要突破

　　

温度的舒适性对人类至关重要。供暖、通风和空调(HVAC)系统约占我国建筑物能耗的50%，占我国总能耗的20%。同时，温控对于电池储能系统的安全高效运行也至关重要。降低温控的能耗将助力我国双碳目标的实现。另外，航天器在地外轨道运行过程中面临着高温和深冷的极端热工环境，对于热控材料的性能与稳定性有着迫切的需求。发展新型热控材料与节能技术有着十分重要的意义。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院崔可航课题组在零能耗全季节热控材料领域取得了重要进展，通过双曲声子极化激元效应和光子回收机制，提出并制备了一种热控斗篷（thermal cloak），在不需要相变、手动翻转或外部能量输入的情况下，实现了夏季的零能耗制冷和冬季的零能耗保温。在实地测试中，热控斗篷在夏季的正午使得新能源汽车车厢和锂电池的温度相对周围环境降低了8.0℃；在冬季的夜间使得车厢和锂电池的温度相对周围环境提高了6.8℃。此外，热控斗篷可以通过纺丝和卷对卷工艺进行大规模制备。由于热控斗篷的调节机制不涉及相变以及任何运动部件，因此热控斗篷具有优良的运行稳定性，适用于户外以及太空环境下的长期被动式温度调控。这项工作实现了零能耗系统热控的范式转变，在建筑节能、电池储能电站、航天器热控等领域具有广阔的应用前景。

热控斗篷由两种具有特定光学和热性能的材料组成(图1)，即面向天空的太阳光阻隔红外发射层(solar-blocking infrared radiator, SBIRA)和面向内部空间(建筑物，车辆，航天器等)的全谱反射层(wideband infrared reflector, WIRE)。光阻隔红外发射层为具有双曲声子极化激元效应的全陶瓷超材料织物，在大气红外窗口(7 - 14 μm)具有96.3%的高发射率，并在太阳辐照波长范围内(0.3 - 2.5 μm)具有95.6%的高反射率。同时光阻隔红外发射层的热扩散率比空气还要低一个数量级。这种结构使得材料具有良好的被动式制冷效果，同时有效减少了物体与周围环境的热交换。

图1 热控斗篷结构及被动温度调节机制示意图

构成光阻隔红外发射层的全陶瓷超材料织物具有轻质、柔性、可弯折的特点。该材料在经过中国航天科技集团第八研究院的模拟宇航环境真空热循环测试、航天器振动测试、火焰喷枪燃烧测试、液氮深冷测试、酸碱腐蚀性环境测试后仍然保持光谱性能稳定（如图2所示）。

图2 热控斗篷的阻燃特性与高温稳定性

热控斗篷通过光阻隔红外发射层和全谱反射层的协同作用，在不需要相变、手动翻转或外部能量输入的情况下，实现了夏季的强化辐射制冷以及冬季的有效保温。全谱反射层在整个波长范围(0.3 - 14 μm)具有92.8%宽带反射率，使得此面能够通过反射实现物体的冷热光子的回收。为了测试热控斗篷在户外应用中的实际效果，该研究在新能源汽车上进行了实地测试。两辆同型号的电动汽车，一辆被热控斗篷覆盖作为实验组，另一辆不做任何覆盖作为对照组（图3），分别在夏季和冬季对车厢内部和电池的温度变化和周围环境温度进行实时记录。结果显示热控斗篷在夏季白天使得车厢内温度相对周围环境可降低8.0℃（相对对照组汽车降低27.7℃），在冬季夜晚相对环境温度可提高6.8℃。实验验证了制备的热控斗篷在不同季节的制冷和保温功能的有效性，具有预期的全季节温度调控性能。

图3 热控斗篷的新能源汽车实地测试

相关研究论文“Scalable and durable Janus thermal cloak for all-season passive thermal regulation”于7月11日在线发表于Device期刊，并将于7月正式发表于该期刊的创刊号上（图4）。Device期刊是Cell 出版社旗下刊物Cell, Joule, Chem, Matter的新姊妹刊，面向多学科交叉性的应用技术研究成果，促进科研领域的创新整合与交叉融通，发表具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。该论文上线后得到了New Scientist, Science News, EurekAlert!, Physics World等科技与科普媒体的同步报道。

图4 论文发表截图

 

上海交通大学材料科学与工程学院崔可航副教授为本文通讯作者，硕士研究生乔华旭为本文的第一作者。该研究得到了上海交通大学科研启动经费、上海市扬帆计划（21YF1419700）以及上海市浦江人才计划（19PJ1404600）的资助，并得到了中国航天科技集团第八研究院八〇三研究所，上海交通大学致远创新研究中心（ZIRC）、智能网联电动汽车创新中心、分析测试中心(IAC)等合作单位的大力支持。

作者：

乔华旭

供稿单位：

材料科学与工程学院