科學(xué)家開發(fā)新型復(fù)合制冷涂料，月節(jié)能效果高達(dá)40%，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)量達(dá)到10-50kg量級(jí)
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-09-19 16:01:35
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近日，新加坡南洋理工大學(xué)博士生費(fèi)紀(jì)鵬和所在團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款新型復(fù)合制冷涂料。從機(jī)理上講，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)制冷機(jī)理與新型光學(xué)輻射制冷的有效統(tǒng)一。
同時(shí)，在業(yè)界合作者的幫助下，研究團(tuán)隊(duì)全面評(píng)估并提升了所開發(fā)涂層的應(yīng)用性，使這項(xiàng)成果超出了單純使用材料進(jìn)行概念驗(yàn)證的范疇。
通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)證明多種被動(dòng)制冷機(jī)制可以有效統(tǒng)一在單一、自發(fā)凝結(jié)的層狀結(jié)構(gòu)里，實(shí)現(xiàn)單層涂料化，這也是復(fù)合制冷概念首次實(shí)現(xiàn)涂層化。在單一體系內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)納米顆粒行為的調(diào)控以及傳質(zhì)孔道的調(diào)控，對(duì)制冷效率進(jìn)行了提升，實(shí)現(xiàn)了綜合性能的優(yōu)解。
日前，相關(guān)論文以《通過(guò)合理設(shè)計(jì)熱光學(xué)和物質(zhì)傳遞特性實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)冷卻涂料》（Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties）為題發(fā)在 Science[1]，費(fèi)紀(jì)鵬是第一作者，南洋理工大學(xué)李洪教授擔(dān)任通訊作者。 本次論文得到了期刊編輯的認(rèn)可，在出版時(shí)期刊編輯總結(jié)稱：“此前不久，研究團(tuán)隊(duì)與涂料產(chǎn)業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了密切合作，實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)技術(shù)的配方優(yōu)化與應(yīng)用性能的提升，這也是對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用化潛力的重要認(rèn)證。” 目前，此項(xiàng)成果已接近于中試階段，研究團(tuán)隊(duì)正在尋找規(guī)模化的測(cè)試平臺(tái)與場(chǎng)地，進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用評(píng)估。其主要應(yīng)用場(chǎng)景為建筑的側(cè)墻以及戶外的具有熱壓力的電氣設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施，比如光伏、通訊基站、臨時(shí)住房、電箱、集裝箱等，旨在實(shí)現(xiàn)有效的能耗降低、設(shè)備保護(hù)以及效率提升等。 近年來(lái)，人們承受著由全球變暖和城市化快速發(fā)展帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的熱壓力，在能耗、健康方面的問(wèn)題尤為嚴(yán)重。空調(diào)雖是一種有效的局部降溫手段，但是其熱排放和高耗電量與環(huán)境形成了負(fù)反饋。通過(guò)零能耗、低能耗手段有效解決、削弱主動(dòng)制冷的排放、負(fù)反饋問(wèn)題，甚至一定程度上替代空調(diào)，成為目前的技術(shù)研究潮流與熱點(diǎn)。 由于南洋理工大學(xué)地處東南亞熱帶，全年熱壓力問(wèn)題突出，對(duì)此類技術(shù)的需求尤為突出，成為促進(jìn)這項(xiàng)研究的關(guān)鍵因素。同時(shí)，這項(xiàng)研究也是基于研究團(tuán)隊(duì)前期對(duì)被動(dòng)制冷技術(shù)探索的一個(gè)深度拓展。自 2020 年開始涉足被動(dòng)制冷領(lǐng)域以來(lái)，費(fèi)紀(jì)鵬主要致力于開發(fā)新型的光學(xué)輻射制冷。 最開始在學(xué)術(shù)范圍內(nèi)，他和所在團(tuán)隊(duì)僅針對(duì)概念驗(yàn)證進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，期間完全不考慮應(yīng)用性、生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性、環(huán)保性與成本。那時(shí)，他們從光學(xué)角度研究科顆粒，孔道對(duì)于制冷效果提升的潛力，并通過(guò)體系設(shè)計(jì)逐步實(shí)現(xiàn)了光學(xué)輻射制冷關(guān)鍵特性的極致設(shè)計(jì)。 然而，在環(huán)境測(cè)試中他們發(fā)現(xiàn)，縱然有了極致的光學(xué)設(shè)計(jì)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)像在干燥地區(qū)下的有效的亞環(huán)境降溫。進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)注意到了環(huán)境濕度對(duì)于輻射制冷的重要影響。由此，蒸發(fā)制冷機(jī)制被考慮作為集成的第三種被動(dòng)機(jī)制以促進(jìn)深度降溫。
有了機(jī)理設(shè)計(jì)之后，他們著手開始打造研發(fā)體系。傳統(tǒng)的高分子聚合物由于其有限的耐水性和穩(wěn)定性，不適用于頻繁的水循環(huán)。于是，他們轉(zhuǎn)向無(wú)機(jī)凝膠體系。“通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這種體系就是像石頭本質(zhì)一樣的硅酸鹽體系。”費(fèi)紀(jì)鵬對(duì) DeepTech 表示。
同時(shí)，他們還使用了水泥基體，這是因?yàn)槠渚邆涞统杀竞铜h(huán)保綠色的特點(diǎn)，以及能夠滿足涂層厚度靈活性的需求。然而，在開發(fā)過(guò)程中水泥體系里的水灰比的問(wèn)題因?yàn)楣鈱W(xué)改性顆粒變得難以調(diào)控。于是，他們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與理論探究，提出了親水填料下的有效水灰比概念，實(shí)現(xiàn)了涂層機(jī)械性能和成膜性的大幅提升。
經(jīng)過(guò)一年半的研發(fā)周期，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，動(dòng)態(tài)的復(fù)合制冷體系的降溫性能無(wú)法通過(guò)論文中常用的小面積片狀表面的測(cè)試進(jìn)行有效表征。于是，轉(zhuǎn)而采用了規(guī)模化混凝土房屋對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證概念。期間，他們針對(duì)三個(gè)房子進(jìn)行涂裝并安裝了獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，在控制涂層變量試驗(yàn)下，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證其擁有大約 40% 的月節(jié)能效果。 有了材料設(shè)計(jì)和規(guī)模化驗(yàn)證，接下來(lái)要探索材料的應(yīng)用性與商業(yè)潛力。具體的實(shí)驗(yàn)從包括光學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、成膜性、多表面粘附力、環(huán)境穩(wěn)定性以及視覺舒適性等多個(gè)角度進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此類材料具有優(yōu)異的應(yīng)用潛力，技術(shù)成本分析顯示，此類材料相比傳統(tǒng)涂層具有低成本和長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)。
而在體系設(shè)計(jì)中，為了解決水灰比、開裂和黏附性等問(wèn)題，費(fèi)紀(jì)鵬從頭自學(xué)經(jīng)典混凝土材料理論課程，并且每日找同校土木學(xué)院的博士和博后進(jìn)行討論，以便尋找潛在的解決方案。
“那段時(shí)間是對(duì)自我知識(shí)儲(chǔ)備的一次巨大革新。同時(shí)，許多共同作者都傾力相助，時(shí)常進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，結(jié)合自己的背景提出不一樣的機(jī)理，在多輪優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，我們最終得到了有效水灰比的概念，同時(shí)也嘗試出互相匹配的添加劑種類和含量。這段經(jīng)歷極大促成了此項(xiàng)工作的完成。”他表示。
此外，經(jīng)過(guò)前期 3-4 年對(duì)于被動(dòng)制冷技術(shù)的研究，這項(xiàng)研究也解決了新型光學(xué)輻射制冷在濕熱地區(qū)效果受限的問(wèn)題，并通過(guò)新的制冷機(jī)理為同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部制冷和削弱環(huán)境熱島效應(yīng)提供了新的思路。 |
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