高熵光熱薄膜助力人體熱管理研究獲進展

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。在戶外，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，對織物表面進行加工，實現(xiàn)人體熱管理將會彌補這些缺陷。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。

(資料圖)

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)與材料實驗室研究員高祥虎、劉剛團隊等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，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（圖1）。

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)性能進行優(yōu)化（圖2）。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℃），相比于已報道的太陽能加熱織物具有明顯優(yōu)勢。研究人員對織物的加熱能力進行實驗驗證。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℃，從而減少了能源消耗。

冬季早晨，盡管太陽光強度只有350W m-2，空氣溫度為7.5℃，利用該團隊研究的高熵保溫織物可使人體表面溫度提高12℃（圖3）。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。

該團隊提出的高熵織物具有良好的光熱轉(zhuǎn)化效率、透氣性、水蒸氣透過率、機械強度、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。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上。

相關(guān)研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進會、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。

圖1 高熵保溫織物的保溫機制及理論驗證

圖2 高熵保溫織物的制備及光學(xué)性能

圖3 高熵保溫織物保溫性能的戶外驗證

來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所

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