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科學家開發智能屋頂涂料 可根據室外溫度自動切換
發布日期: 2021-12-17 10:31:36 來源: 科技日報

科學家們已經開發出一種四季皆宜的智能屋頂涂料,可以在不消耗天然氣或電力的情況下,讓家里的溫度冬暖夏涼。當地時間16日發表在《科學》雜志上的研究結果指出,新全季屋頂涂料會根據室外空氣溫度自動從制冷切換到保暖。這種溫度自適應輻射涂層(TARC)是第一種通過調節輻射冷卻速率自動在炎熱天氣降溫和寒冷天氣升溫的屋頂涂料,實現這一特性得益于其主要材料——二氧化釩。

領導這項研究的美國加州大學伯克利分校材料科學部門的教職科學家吳俊橋(音譯)解釋說,許多冷屋面系統的問題在于它們在冬天繼續向外輻射熱量,從而抬高了屋內供暖成本。TARC則可以通過在冬天自動關閉輻射熱量來實現節能,克服了冬天過冷的問題。

金屬通常是電和熱的良導體。2017年,吳俊橋和他的研究團隊發現,二氧化釩中的電子對電的行為就像金屬,對熱的行為像絕緣體,換句話說,它們導電良好,但不導熱。低于67℃的二氧化釩對熱紅外光也是透明的,因此不吸收熱紅外光。但一旦二氧化釩達到67℃,它就會轉變為金屬狀態,開始吸收熱紅外光。在這種情況下,從絕緣體切換到金屬正是我們所熟知的相變材料的特征。

研究還表明,只用鎢取代二氧化釩中僅1.5%的釩(一種被稱為“摻雜”的技術),可以將材料的相變閾值降低到25℃,這是實際應用的理想溫度。

為了解二氧化釩在屋面系統中的表現,研究人員設計了一個2厘米乘2厘米的TARC薄膜裝置,它由三層構成:由銀制成的反射底層,由氟化鋇組成的透明中間層,以及包含有序塊狀二氧化釩“島”的頂層。

“TARC看起來像透明膠帶,可以貼在像屋頂一樣的固體表面上。”吳俊橋說。

目前的研究證明了TARC薄膜中二氧化釩驚人的全天候多功能性,并在節能方面更勝一籌。根據研究人員的測量,TARC全年反射大約75%的陽光,但當環境溫度較高(超過25℃)時,它的熱發射率很高(約90%),促進了熱量向天空的流失。在較涼爽的天氣,TARC的熱發射率自動切換到低水平(約20%),有助于保留太陽能吸收和室內取暖帶來的熱量。

未來,研究人員計劃在更大范圍內開發TARC原型,以進一步測試其作為實用屋頂涂料的性能。吳俊橋說,TARC還可能作為一種熱保護層來延長智能手機和筆記本電腦的電池壽命,并保護衛星和汽車免受極高或極低溫度的影響。它還可以用來制作帳篷、溫室覆蓋物,甚至帽子和夾克的調溫面料。(科技日報實習記者 張佳欣)

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