2021-12-22

芯快报:唐克超研究员及合作者在智能辐射散热材料研究中取得重要突破

   二氧化钒(VO2)的金属-绝缘体相转变具有丰富的物理特性,可实现力学,光学,电学,热学等属性的智能调控和多层面耦合,在先进存储,类脑计算,传感器和热能管理等领域具有广泛应用。近期,集成电路学院的唐克超研究员与加州伯克利大学的Junqiao Wu(吴军桥)教授等在Science杂志发表文章,利用VO2的金属-绝缘体相变特性,首次研制出具有智能开关功能的辐射散热材料(Temperature Adaptive Radiative Coating, TARC)。在建筑物表面温度高于最宜居住温度(22 °C)时,TARC会自动(无能耗)提高红外辐射率,进行辐射散热以实现制冷功能;在建筑物表面温度过低时,TARC会自动(无能耗)降低红外辐射率,以帮助建筑物保暖。在整个过程中,TARC起到的功能类似于无能耗的“智能空调”。从全年平均能耗的角度来看,TARC显著优于所有传统的非智能屋顶材料,将极大地有助于节能减排任务的实现,在科学、经济和生态层面具有重大的价值。

 

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图A:智能辐射散热功能示意图;图B: TARC的结构和原理示意图;图C: 可见光和红外光谱;图D: TARC的户外温度调控测试

     TARC的基本结构如图B所示,通过将氧化钒相变材料,钨掺杂技术以及超材料结构设计相结合,实现表面辐射率从高温时0.9到低温时0.2的自动切换(图C),有效避免了传统辐射材料低温时过度制冷的副作用问题。研究人员还可以根据不同地区的气候特点,针对性地设计TARC的阳光吸收率,使其在本地实现最优节能效果。此外,借助成熟的制造技术,TARC可以在柔性薄膜上加工,以广泛适应不同建筑物种类与应用场景。研究团队在户外环境中对TARC的智能辐射散热能力进行了实地测试,展现了符合预期的温度管理效果(图D)。

  TARC具有非常广阔的产业化应前景以及针对不同地区进行深度定制的应用潜力。例如:通过在TARC表面覆盖一层无毒且疏水的高分子薄膜,可以有效减小环境中尘埃与湿气的影响,进而大幅提高TARC的工作寿命。此外,TARC技术可以拓展到航空航天设备、移动电子设备,汽车电池和织物类的自动温度控制等领域,其未来的广泛应用将在智能温度管理和节能减排方面起到巨大的作用。

参考文献

Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation, Science, 16 Dec 2021, Vol 374 Issue 6574, pp 1504-1509, DOI:10.1126/science.abf7136.

文章链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf7136

 


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