一种热辐射抑制叠层结构、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种热辐射抑制叠层结构、其制备方法及应用。所述热辐射抑制叠层结构由低红外发射率上层、相变储能中层和热辐射反射下层构成，所述低红外发射率上层包括气凝胶薄膜以及设置于所述气凝胶薄膜表面的低红外发射率金属镀层；所述相变储能中层包括气凝胶薄膜与相变材料形成的复合结构；所述热辐射反射下层包括图案化气凝胶薄膜以及设置于所述图案化气凝胶薄膜的图案化一面的热辐射反射金属镀层。本发明专利技术提供的热辐射抑制叠层结构具有太阳光反射率高、3

【技术实现步骤摘要】
一种热辐射抑制叠层结构、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种叠层结构，具体涉及一种基于气凝胶薄膜的由低红外发射率上层、相变储能中层和热辐射反射下层构成的新型热辐射抑制叠层结构、其制备方法及应用，属于纳米新材料


技术介绍

[0002]对物体的热辐射进行控制在能量转换、红外传感、热成像及照明等领域都非常重要。例如，增强热辐射是辐射冷却常用方法(Sci.Adv.2019，5，eaat9480)、调控热辐射带宽对红外传感至关重要(ACS Photonics 2017，4，1371
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1380)、抑制热辐射是操控热成像有效途径(Adv.Opt.Mater.2018，6，1801006)。根据Steven
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Boltzmann定律，热辐射能量与发射率及热力学温度四次方成正比，因此，通过降低热力学温度或发射率可抑制物体的热辐射。
[0003]降低表面温度作为抑制物体热辐射的方法之一，可简单地通过覆盖隔热层来实现(Adv.Mater.2018，30，1706807)，以超低热导率著称的气凝胶作为最有前景的隔热层，可有效抑制热辐射，然而，隔热层会导致热量积聚，如果目标物体是设备或器件，会引起目标物体性能下降。另一种抑制热辐射的方法是降低红外发射率(Adv.Mater.2021，33，2004754)，而红外发射率与材料的复介电常数和电导率密切相关。根据菲涅耳定律、电磁波传输理论、和德鲁德
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洛伦兹模型，可以推导出红外发射率本质上与极化度有关，极化度又与固有偶极矩数、离子半径和晶格常数密切相关，而极化偶极矩的数量受到材料表面形貌影响，固表面形貌是影响热发射率关键因素之一。同时，根据哈根
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鲁本斯关系以及基尔霍夫辐射定律可推导出高导电性将导致低红外发射率，然而，高导电性带来的低红外发射率，会导致热力学温度急剧上升，从而削弱热辐射抑制性能。可见单独依靠降低热力学温度或红外发射率无法做到长时间热辐射抑制，而单一均匀物质又难以同时降低表面热力学温度和红外发射率，叠层结构成为了新的设计思路。
[0004]目前制备的叠层结构，通常是用于隐身，如公告号为CN112937029A的一种三明治结构红外隐身材料，将二氧化硅气凝胶涂层作为隔热层固定在上下两层低红外发射率织物层中。然而二氧化硅气凝胶涂层中二氧化硅气凝胶粉末重量比例为1～4份，成膜剂为25～35份，固化剂为5～7份，无法充分体现气凝胶的隔热性能，且织物的表面平整度较低，无法获得较低红外发射率，使得产品不适用于目标温度高于50℃时的隐身。另外，公告号为CN114179466A提供了一种隐身贴片，包括红外隐身层、可见光伪装层和雷达吸收层，其红外隐身层由沉积在涤纶树脂上的透明导电薄膜构成，红外发射率低于0.3，然而，其雷达吸收层包括厚度为1～2.5mm的第一泡沫介质层、6
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10mm厚的第二泡沫介质层及3
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5mm厚的第三泡沫介质层，所得隐身贴片厚度较厚，无法获得良好柔韧性。公告号为CN114193850A虽然报道了一种轻质柔性耐弯折目标特征控制复合材料，但是此叠层结构包括以橡胶为基体的碳纤维层和石英纤维层，以及以聚氨酯树脂或硅橡胶等为基体的吸波层和低发射率层，虽然此目标特征控制复合材料总厚度为2mm～6mm，但密度较高，未考虑隔热需求。公告号为CN113403566A报道了一种基于荧光亚层的热障/低红外发射率一体化涂层及其制备方法，
虽然兼顾了隔热需求和低红外需求，但是需预先将基底置于箱式喷砂机中进行喷砂粗化处理，应用范围具有局限性，仅适用于金属基底。
[0005]在控制热辐射方面，虽然公告号为CN113276510B提供了一种智能辐射热控用Janus柔性复合薄膜，设在基膜一侧面的辐射加热层纤维膜具有高太阳辐射吸收和低红外发射率，另一侧面的辐射制冷层纤维膜具有高太阳反射和高红外发射率，但此Janus柔性复合膜在辐射制冷纤维膜向外时，可通过辐射制冷降低自身温度，却无法对高温目标物体进行长时间热辐射抑制。
[0006]因此，亟需发展一种能够对高温目标物体进行长时间热辐射抑制的叠层结构，兼具低红外发射率、优异隔热性能及储热功能等。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种用于长时间热辐射抑制的叠层结构及其制备方法，以克服现有热辐射抑制材料无法对目标物进行长时间抑制的不足。
[0008]本专利技术的又一目的在于提供前述叠层结构的用途。
[0009]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0010]本专利技术实施例提供了一种热辐射抑制叠层结构，其由低红外发射率上层、相变储能中层和热辐射反射下层构成，所述低红外发射率上层包括气凝胶薄膜以及设置于所述气凝胶薄膜表面的低红外发射率金属镀层；所述相变储能中层包括气凝胶薄膜与相变材料形成的复合结构；所述热辐射反射下层包括图案化气凝胶薄膜以及设置于所述图案化气凝胶薄膜的图案化一面的热辐射反射金属镀层。
[0011]本专利技术实施例还提供了一种热辐射抑制叠层结构的制备方法，其包括：
[0012]在气凝胶薄膜表面沉积低红外发射率金属镀层，制得低红外发射率上层；
[0013]将相变材料通过熔融填充或溶液填充的方式填充入气凝胶薄膜内，制得相变储能中层；
[0014]制备单面图案化气凝胶薄膜，在所述单面图案化气凝胶薄膜的图案化一面沉积热辐射反射金属镀层，制得热辐射反射下层；
[0015]将所述低红外发射率上层、相变储能中层、热辐射反射下层进行组装，制得热辐射抑制叠层结构。
[0016]本专利技术实施例还提供了所述热辐射抑制叠层结构于隔热、储能、防红外透过或对抗红外探测等领域中的应用。
[0017]与现有热辐射抑制材料相比，本专利技术提供的热辐射抑制叠层结构由低红外发射率上层、相变储能中层和热辐射反射下层构成，具有太阳光反射率高、3
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15μm波段平均红外发射率低、相变焓值高等优点，并可以反射绝大部分高温目标物体的热辐射，可应用于光照下高温目标物体长时间热辐射抑制，此外，具有良好柔韧性，可根据需要制成不同形状，方便应用于隔热、储能以及对抗红外探测等领域，应用前景非常广泛。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本专利技术一典型实施方案中的热辐射抑制叠层结构示意图。
[0020]图2是本专利技术实施例2所获红外低发射率上层在中红外波段的发射率曲线图。
[0021]图3a和图3b是本专利技术实施例4所获相变储能中层的扫描电镜图。
[0022]图4是本专利技术实施例5所获相变储能中层的DSC曲线图。
[0023]图5是本专利技术实施例6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热辐射抑制叠层结构，其特征在于，所述热辐射抑制叠层结构由低红外发射率上层、相变储能中层和热辐射反射下层构成，所述低红外发射率上层包括气凝胶薄膜以及设置于所述气凝胶薄膜表面的低红外发射率金属镀层；所述相变储能中层包括气凝胶薄膜与相变材料形成的复合结构；所述热辐射反射下层包括图案化气凝胶薄膜以及设置于所述图案化气凝胶薄膜的图案化一面的热辐射反射金属镀层。2.根据权利要求1所述的热辐射抑制叠层结构，其特征在于，所述气凝胶薄膜的材质包括聚酰亚胺、纤维素、芳纶、壳聚糖、氧化硅中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述气凝胶薄膜是通过旋转涂布、刮刀涂布、卷对卷或借助模具成膜，再经溶胶
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凝胶转变、老化处理、溶剂置换及干燥处理制备得到的，所述气凝胶薄膜的热导率为0.02～0.2W
·
m
‑1·
K
‑1，密度为10～200mg
·
cm
‑3，厚度为50～1000μm，拉伸强度为0.1～30MPa。3.根据权利要求1所述的热辐射抑制叠层结构，其特征在于，所述低红外发射率金属镀层的材质包括金、银、铝、锗、锌中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述低红外发射率金属镀层是通过物理气相沉积方式，优选为热蒸发、磁控溅射、真空离子镀、电子束蒸镀中的任意一种方法沉积在所述气凝胶薄膜的表面而得到；和/或，所述低红外发射率金属镀层的厚度为10～1000nm；和/或，所述低红外发射率上层的太阳光反射率为0.5～0.95，在3～15μm波段的平均红外发射率为0.05～0.5，厚度为50～1000μm。4.根据权利要求1所述的热辐射抑制叠层结构，其特征在于，所述相变储能中层是将相变材料通过溶液填充或熔融填充的方式与所述气凝胶薄膜复合而得到的；和/或，所述相变材料包括石蜡类、多元醇类、脂肪胺类、高级脂肪醇类、高级脂肪酸类中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述相变储能中层中相变材料的填充量在99wt％以下，优选为50wt％～98wt％；所述相变储能中层的相变焓值为在250J/g以下，优选为50～200J/g；和/或，所述相变储能中层的厚度为50～1000μm，拉伸强度为0.2～100MPa。5.根据权利要求1所述的热辐射抑制叠层结构，其特征在于，所述图案化气凝胶薄膜的材质包括聚酰亚胺、纤维素、芳纶、壳聚糖、氧化硅中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述图案化气凝胶薄膜是通过3D打印或借助模具获得单面图案化薄膜，再经溶胶
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凝胶转变、老化处理、溶剂置换及干燥处理制备得到的单面图案化气凝胶薄膜，所述图案化气凝胶薄膜的热导率为0.02～0.2W
·
m
‑1·
K
‑1，厚度为50～1000μm，拉伸强度为0.1～30MPa；优选的，所述图案化气凝胶薄膜所含图案包括蜂窝结构、格子结构、曲线排列结构中的任意一种。6.根据权利要求1所述的热辐射抑制叠层结构，其特征在于，所述热辐射反射金属镀层的材质包括金、银、铝、锗、锌中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述热辐射反射金属镀层是通过物理气相沉积方式，优选为热蒸发、磁控溅射、真空离子镀或电子束蒸镀中的任意一种方法沉积在所述图案化气凝胶薄膜的图案化一面而得到；和/或，所述热辐射反射金属镀层厚度为10～1000nm；和/或，所述热辐射反射下层在3～16μm波段的热辐射反射率为0.5～0.95，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，刘晨明，吕婧，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：