一种新的受甲虫启发的陶瓷辐射涂层应用于房屋屋顶，图片来源：香港城市大学
随着全球气温持续上升，面临与高温有关的疾病和死亡风险的人比以往任何时候都多。虽然空调似乎是一种解决方案，但使用这项技术会导致氢氟碳化物和温室气体的排放，从而推动气候变化。因此需要其他不会产生任何排放的冷却方法。
辐射涂层可以在不使用机械制冷设备的情况下提供被动冷却。这些涂层旨在反射太阳辐射并向寒冷的外太空发射热辐射，从而实现无电自发冷却。近年来，研究人员在辐射涂层方面取得了许多进展，这在很大程度上要归功于微纳加工方面的创新。今天的CTT概述了最近发表在《科学》第382卷第6671期上的两篇论文，这两篇论文利用这种制造技术来开发新的辐射涂层。
受甲虫启发的陶瓷涂层实现了近乎完美的太阳反射率
香港几所大学的研究人员设计了一种新的陶瓷辐射涂层，其太阳反射率接近完美的99.6%。该涂层令人印象深刻的性能归功于其纳米结构，其灵感来自Cyphochilus甲虫。Cyphochilus甲虫原产于东南亚，被认为是地球上最白的昆虫。它的着色是由于覆盖甲虫整个外骨骼的微小鳞片的排列。这些鳞片只有 6 μm 厚，形成了一个高度连接且致密的几丁质网络，即一种长链聚合物，可为甲壳类动物、昆虫的外骨骼和真菌的细胞壁提供强度。甲壳素的散射效率极高，导致超白外观。
以前的研究，例如这里，已经从Cyphochilus甲虫中汲取灵感，以创造可持续和生物相容的超白涂层。但这项新研究通过创造一种既美观又实用的涂层，将这一灵感向前推进了一步。
香港研究人员通过一种可以很容易地进行大规模生产的工艺制造了陶瓷涂层。首先，他们将聚醚砜（PES）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和α-氧化铝的溶液浇铸到平坦的基板上，并将其浸入乙醇中，使NMP溶解。然后，他们烧结材料以去除PES，并以类似于Cyphochilus甲虫鳞片的多孔图案粘合氧化铝颗粒。
除了创纪录的 99.6% 的太阳反射率外，最终的氧化铝涂层还表现出 96.5% 的红外热发射，并可承受超过 1,000°C （1,832°F） 的温度。当应用于房屋屋顶时，该涂层将用于空间冷却的电量减少了 20%。
受甲虫启发的不同颜色的陶瓷辐射涂层样品，图片来源：香港城市大学
陶瓷辐射涂层的其他特性包括
1、超低厚度，该涂层的厚度仅为 150 μm，即可实现 95% 以上的反射率。传统的高性能屋顶冷却涂料通常需要厚度大于 1 毫米。
2、机械强度高，该涂层表现出超过 100 MPa 的高机械强度（建筑围护结构至少需要 35 MPa）。
3、低反射率，该涂层在任何厚度的大气窗口透射率范围内都具有低反射率，使其适用于涂覆混凝土和类似基材。
4、亚环境冷却，即使在中午（上午 11 点至下午 2 点之间）左右，该涂层也能实现 4°C 以上的低于环境冷却，与白色商业瓷砖相比，温度更低。
5、要么亲水，要么疏水，通过用有机硅化合物浸渍，涂层可以从超亲水性（被水吸引）转变为疏水性（排斥水）。涂层的这种变化只会导致太阳反射率的小幅下降。
6、对环境刺激有抵抗力，该涂层在用氟硅烷处理时可抵抗污染物，将太阳反射率保持在 97% 以上。该涂层还具有抗紫外线辐射和防火性能。
7、可回收利用，该涂层是可回收的，可以变成一种具有良好光学特性的新材料。
8、颜色选项，涂层可以使用双层设计着色，同时大部分保留其反射特性。例如，黄色、红色和绿色涂层在近红外区域的反射率分别为 95%、96% 和 87%。
香港城市大学Chi Yan Tso在一份大学新闻稿中说：“[这项研究]证实了冷却陶瓷在减少人们对传统主动冷却策略的依赖方面的巨大潜力，并为避免电网过载、温室气体排放和城市热岛提供了可持续的解决方案。该论文发表在《科学》杂志上，题目是“Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity”（DOI：10.1126/science.adi4725）。
微孔玻璃镀膜即使在高湿度条件下也能实现温度下降
马里兰大学（University of Maryland）和威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的研究人员使用一种基于溶液的工艺来制造一种微孔玻璃涂层，即使在高湿度条件下也能达到冷却效果。
该溶液由悬浮在乙醇中的磷酸盐玻璃颗粒（2-15μm）和α-氧化铝纳米颗粒（0.3-1.0μm）组成。玻璃颗粒作为非常规粘合剂形成坚固的多孔支撑框架，而氧化铝颗粒则在制造过程中强烈散射光并防止多孔结构致密化。
在约600°C下烧结后，玻璃颗粒形成互联的介孔结构，氧化铝颗粒被玻璃包围。扫描电子显微镜分析显示孔隙率约为50%，平均孔径为6.7 μm。测试确定氧化铝颗粒的最佳质量分数为 40-60 wt.%。涂层厚度需要大于 500 μm 才能实现大于 95% 的太阳反射率。
研究人员指出，该溶液的粘度可以针对不同的涂层技术进行修改，例如喷涂或刷涂，从而使涂层能够以良好的附着力应用于各种基材，包括砖、瓷砖、金属和玻璃。然而，太阳反射率取决于镀膜方法。与刷涂式玻璃镀膜相比，喷涂式玻璃镀膜具有更粗糙、多孔的结构，导致太阳反射率略低。在喷涂涂料中将氧化铝质量分数提高到约60 wt.%，在约500 μm的厚度下实现了超过96%的太阳反射率。
马里兰大学杰出教授胡良兵（左）和助理研究科学家赵新鹏展示了一块涂有新型辐射冷却涂料的玻璃，图片来源：马里兰大学
玻璃辐射镀膜的其他优点包括：
1、在大气透明度窗口中结合了高太阳反射率 （>96%） 和高红外发射率 （95%）。
2、即使在高湿度条件下（高达 80%），中午和夜间也能分别降低约 3.5°C 和 4°C。
3、当应用于屋面时，每年可减少约10%的二氧化碳排放量，使旧建筑平均每年节省约350美元，新建筑平均每年节省约290美元。
4、即使暴露在恶劣的条件下，包括水、紫外线辐射、污垢和高温火焰冲击，也能保持高太阳反射率。
5、兼容具有不同软化点（300°C 至 1,000°C）和介电颗粒（二氧化钛、氧化锌、氮化硼）的几种不同玻璃组合。
6、可以掺入无机染料以产生粉红色、绿色和黄色，同时保持 90% 至 95% 的太阳反射率特性。
“这是一项改变游戏规则的技术，它简化了我们保持建筑物凉爽和节能的方式，”第一作者、马里兰大学助理研究科学家赵新鹏在大学新闻稿中总结道。研究人员成立了一家名为CeraCool的初创公司，以扩大玻璃镀膜技术的规模并将其商业化。
标签： 导热界面材料 点击： 评论: