一种基于相变材料的辐射制冷薄膜制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，包括：由下而上依次设置的金属反射层、谐振腔、VO2相变材料层和对太阳波段的能量进行反射的光子晶体层。本实用新型专利技术使用了相变材料作辐射降温薄膜，该结构基于相变材料的特性，在不需要任何外部能量的情况下，根据环境温度变化改变自身温度。当环境温度较低时，使得薄膜温度低于相变材料的相变温度，此时关闭中红外波段热辐射，可以达到保温或者升温的状态。当环境温度较高时，使得薄膜温度高于相变材料的相变温度，此时打开中红外波段的热辐射功能，达到降温的状态。达到降温的状态。达到降温的状态。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的辐射制冷薄膜


[0001]本技术涉及一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，属于辐射制冷


技术介绍

[0002]近年来，随着工业化不断发展，人们在享受工业进步带来便利的同时，也在承受着能源消耗和环境污染带来的生存压力。早在20世纪初，可持续能源的政策已经相继出台，它们一方面引导节能减排，另一方面大力提倡绿色能源开发。2010年，中国更是在绿色能源领域投资511亿美元，是目前世界上投资最多的国家。在太阳电池、生物制氢和风力发电等众多绿色能源利用技术中，辐射降温作为一种通过热辐射开采深空冷能的技术也在近年被日益关注。辐射制冷原理和获取太阳能的方法相反，其主要是通过反射太阳波段(0.3
–
2.5μm)能量、同时提高大气窗口波段(主要波段在8
–
13μm)的发射率，将热量通过大气窗口发射到深空，从而实现即便在太阳照射下也依然能将温度降低到环境温度以下。
[0003]辐射降温的原理主要是通过公式：
[0004]P
net
(T)＝P
rad
(T)
‑
P
sun
‑
P
atm
(T
amb
)
‑
P
conv
‑
P
con
[0005]P
rad
(T)＝A∫dΩcosθ∫dλI
BB
(λ,T)ε(λ,θ)
[0006]P
sun
＝Asinθ
sun
∫dλI
AM1.5
(λ)α(λ,θ)
[0007]P
atm
＝A∫dΩcosθ∫dλI
BB
(λ,T)ε
atm
(λ,θ)
[0008]P
conv
+P
con
＝h
c
(T
amb
‑
T
thermo
)h
c
＝6.9W/(m2·
K)
[0009]P
rad
主要和黑体辐射和普朗克定律相关，根据黑体辐射和普朗克定律，任何绝对零度以上的物体都有不断对外辐射能量的特性。物体各个波长的辐射强度只与问题本身的温度相关。
[0010]P
sun
为吸收AM1.5的能量，AM1.5指的是太阳入射到地球的天顶角为48.2
°
时地球接受太阳辐射能量的值。由于太阳辐射能量巨大，所以必须要尽量规避掉这部分的能量。
[0011]P
atm
为大气窗口的发射率，也是主要的制冷效果的由来。外太空是一个巨大冷源，温度约为3K，接近于绝对零度，是一个非常好的冷冻室，而对于地球上的物体而言，热辐射的电磁波需要穿过厚厚的大气层才能达到外太空，而大气窗口的名字也由此产生，在3
‑
5μm，8
‑
14μm，17
‑
25μm，这些波段的透过率较高，将这些波段称作大气窗口。其中8
‑
14μm透过率最高，而且对应于一般环境温度(25摄氏度)黑体辐射峰值位置，与地球上大部分物体的能量辐射波段相对应，这也给了地面上的物体将热量传输到外太空的可能。
[0012]P
conv
+P
con
为热传导和热对流对物体造成的影响。物体温度和环境温度以及周围物体温度不同，都会对物体产生影响。Hc为传导系数。
[0013]对于普通的辐射降温薄膜来说，无法根据环境温度的变化而自主的选择是否降温，因此会发生在夏天时会产生降温，而在冬天依旧会发生降温的效果，这并不是我们想要看到的。我们希望薄膜在夏天可以有高的大气窗口波段发射率达到降温的效果，而冬天可以有低的大气窗口波段发射率达到一定升温或保温效果。

技术实现思路

[0014]本技术的目的在于提供一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，以解决现有技术中存在的普通辐射降温薄膜无法根据环境温度的变化而自主的选择是否降温，会发生在夏天时产生降温，而在冬天依旧会发生降温的问题。
[0015]为实现上述目的，本技术采用如下技术方案：
[0016]一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，包括：由下而上依次设置的金属反射层、谐振腔、VO2相变材料层和对太阳波段的能量进行反射的光子晶体层。
[0017]进一步地，所述光子晶体层由高折射率材料层和低折射率材料层以ABAB方式交替排列组成，每层材料的光学厚度是中心反射波长的四分之一。
[0018]进一步地，所述光子晶体层中的每一层材料为在0.3
‑
13μm高透过材料。
[0019]进一步地，所述低折射率材料层由选自BaF2、CaF2和MgF2中的任一种材料制成，所述高折射率材料层由选自ZnSe、HfO2和ZnS中的任一种材料制成。
[0020]进一步地，所述VO2相变材料层的厚度为10
‑
30nm。
[0021]进一步地，所述VO2相变材料层的相变温度范围为17
‑
80摄氏度。
[0022]进一步地，所述谐振腔的材料为在0.3
‑
16μm波段的高透过率材料。
[0023]进一步地，所述谐振腔的厚度为800
‑
1200nm，驻波形成范围为8
‑
13μm。
[0024]进一步地，所述谐振腔的材料选自BaF2、ZnSe、CaF2、MgF2、HfO2或ZnS。
[0025]进一步地，所述金属反射层的材料选自Ag、Au或Al。
[0026]相比于现有技术，本技术的有益效果为：
[0027]本技术使用相变材料作辐射降温薄膜，可以在薄膜温度高于相变温度时拥有高的降温功率，而在薄膜温度低于相变温度时拥有保温或升温的功效；其可设定的相变温度范围(17
‑
80摄氏度)接近室温，适用性强；该结构不需要外界开关，通过设定的相变温度即可自发地对薄膜的降温功率进行调节。
附图说明
[0028]图1是本技术的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜的结构示意图；
[0029]图2是光子晶体层的结构示意图；
[0030]图3是本技术的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜的结构示意图；
[0031]图4是本技术实施例1的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜在0.3
‑
20μm波段的吸收图谱。
[0032]其中：1光子晶体层；2VO2相变材料层；3F
‑
P谐振腔；4金属反射层；5高折射率材料层；6低折射率材料层。
具体实施方式
[0033]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，其特征在于，包括：由下而上依次设置的金属反射层、谐振腔、VO2相变材料层和对太阳波段的能量进行反射的光子晶体层。2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，其特征在于，所述光子晶体层由高折射率材料层和低折射率材料层以ABAB方式交替排列组成，每层材料的光学厚度是其中心反射波长的四分之一。3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，其特征在于，所述光子晶体层中的每一层材料为在0.3
‑
13
µ
m高透过材料。4.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，其特征在于，所述低折射率材料层由BaF2、CaF2和MgF2中的任一种材料制成，所述高折射率材料层由ZnSe、HfO2和ZnS中的任一种材料制成。5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，其特征在于，所述VO2相变材料层的厚度为10
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：戴明光，赵海鹏，章新源，徐修冬，马鸿晨，詹耀辉，
申请(专利权)人：苏州融睿纳米复材科技有限公司，
类型：新型
国别省市：