科研進(jìn)展
蘭州化物所高熵光熱薄膜助力人體熱管理研究獲新進(jìn)展
保持舒適的新陳代謝溫度對維持人體的基本生理功能至關(guān)重要。戶外，靜止的成人通過紅外輻射消耗大約50%的熱量，而傳統(tǒng)的紡織材料（如棉和滌綸）具有高紅外發(fā)射率(~90%)，導(dǎo)致大量輻射性熱量損失。因此，對織物表面進(jìn)行加工，實現(xiàn)人體熱管理將會彌補(bǔ)這些缺陷。目前已報道的熱管理織物吸收率并不理想，在寒冷的天氣下不能有效加熱人體，而現(xiàn)有的選擇性吸收涂層技術(shù)在普通棉布表面由于高粗糙度會失去光譜選擇性。因此，研究零能耗熱管理織物具有重要意義。
圖1 高熵保溫織物的保溫機(jī)制及理論驗證
近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實驗室低碳能源材料課題組高祥虎研究員、劉剛研究員團(tuán)隊通過磁控濺射方法在普通棉布表面制備了基于高熵氮化物(ZrNbMo-Al-N)的多層薄膜，實現(xiàn)了具有較高光譜選擇性的人體熱管理織物。研究人員通過建立穩(wěn)態(tài)傳熱模型發(fā)現(xiàn)織物高吸收率和低發(fā)射率對人體在低溫環(huán)境下保溫都有貢獻(xiàn)，特別是吸收率的優(yōu)化，能夠有效增加在戶外光照環(huán)境下的保溫能力（如圖1所示）。
圖2 高熵保溫織物的制備及光學(xué)性能
據(jù)此，研究人員通過理論計算結(jié)合實驗驗證的方法對多層薄膜光學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化（如圖2所示）。優(yōu)化后的選擇性吸收涂層在金屬鋁修飾的棉布上實現(xiàn)了92.8%的高吸收率和39.2%的低發(fā)射率，具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化效率（82.2 %，600 W m-2，0 °C），相比于已報道的太陽能加熱織物具有明顯優(yōu)勢。隨后，研究人員對織物的加熱能力進(jìn)行實驗驗證。由于織物較低的發(fā)射率，使得室內(nèi)空調(diào)的設(shè)定溫度降低3.5 °C，從而減少了能源消耗。
冬季早晨，盡管太陽光強(qiáng)度只有350W m-2，空氣溫度為7.5 °C，利用該團(tuán)隊研究的高熵保溫織物可使人體表面溫度提高12 °C（如圖3所示）。同時，該織物還保持了棉布的可穿性，實驗測試表明，其具有良好的水蒸氣透過率、透氣性和耐久性。經(jīng)過不同的洗滌周期，該織物仍保持優(yōu)異的光學(xué)性能。
圖3 高熵保溫織物保溫性能的戶外驗證
該團(tuán)隊提出的高熵織物具有良好的光熱轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)異的透氣性、水蒸氣透過率、機(jī)械強(qiáng)度、耐久性、可洗滌性和易于制備等優(yōu)點，對織物人體熱管理的研究和實際應(yīng)用具有重要貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果以“Efficient Warming Textile Enhanced by a High-Entropy Spectrally Selective Nanofilm with High Solar Absorption”為題發(fā)表在Advanced Science (https://doi.org/10.1002/advs.202204817)上。蘭州化物所為第一完成單位，何成玉博士生和趙鵬碩士生為該論文共同第一作者，高祥虎研究員、蘭州理工大學(xué)喇培清教授、浙江大學(xué)李洋博士為共同通訊作者。
該工作得到了中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、甘肅省科技重大專項和蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破項目的支持。
