基于二氧化硅发射的辐射冷却薄膜理论和实验研究
发布时间：2021-04-01 02:58
随着工业的发展与技术的进步,人们在能源方面的需求越来越大。目前使用的能源如煤、石油、天然气等均是不可再生资源,另外这些资源的大量燃烧会造成大气污染、温室效应等环境问题。辐射冷却现象广泛存在于自然界中,辐射冷却利用了大气层特殊的光谱性质,以热辐射的方式将地面上的热量辐射到外太空,整个过程无污染、无能耗。然而,大多数材料辐射冷却效果并不明显,为了提高材料的辐射冷却效率、减少辐射冷却材料的生产与应用成本,本文提出了一种具有良好辐射冷却效果的聚合物基、二氧化硅（SiO2）填充的辐射冷却薄膜,采用铝层作为金属反射层,制备工艺简单,成本较低。本文研究的主要内容如下:（1）基于电磁波时域差分有限算法,结合光学设计软件FDTD Solutions,探究了微米级SiO2颗粒的粒径、体积分数、薄膜厚度对辐射冷却薄膜发射率的影响。结果表明:辐射冷却薄膜的发射率均随着SiO2填充体积分数、薄膜厚度的增加而增加;当Si02粒径为4μm时,辐射冷却薄膜的发射率最佳;对金属反射层的厚度进行优选,金属层的厚度不低于150nm。（2）通过正交实验的方法探究了 Si02颗粒的粒径、体积分数、薄膜厚度对复合薄膜红外发射率的...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１大气光谱透过率曲线［１１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ?ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ［ｕ】??
位论文???物体吸收其他物体的热辐射导致物体温度的上升，同时物体向外辐射能量从而达到温??度的平衡。??辐射现象的根本原因是物体由诸如电子、质子、离子等微观电荷体组成，并且这??些电荷体一直在移动。由于某种原因，一旦电荷体的运动状态发生变化，就会伴随着??电磁辐射能量发射和吸收从而产生电磁波或光子。不同的光子之间具有不同的电磁振??动频率或者波长［２１］。电磁辐射的频率范围很宽，射线按频率从低到高的顺序排列为：??红外线、无线电波、可见光、Ｘ射线、紫外线、Ｙ射线、宇宙射线等，图１－３为电磁??辐射的频率和波长范围。??Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ??????＇４；????????????ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??Ｊ?Ｊ?ｉ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＊１?ｓ?１?Ｉ?－?ｓ?１??４〇〇ｎｍ?Ｖｉｓｉｂｌｅ?ｌｉｇｈｔ?７００ｎｍ??图１－３电磁辐射的频率和波长范围??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ａｎｄ?ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｒａｎｇｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｒａｄｉａｔｉｏｎ??由于物质由大量带正电的原子核及带负电的电子组成，所以物质在外加磁场的作??用下，其内部正负电荷的运动状态发生变化，从而物质内部产生极化磁常正是由于??不同物质在电磁场的作用下，极化程度的不同，因此物质与电磁波之间的相互作用程??度有所差异，物质从而表现出不同的热辐射特性［２２］。从微观角度来看，电磁波与物质??的相互作用可归因于粒子的吸收和散射［２３］，吸收和散射特性与物质和电磁波的相互作??用密切相关。吸收的辐射能量转换成物质的热能，辐射则会改变电磁波的传播方向
?北京化工大学硕士学位论文???１?－????Ｓ／／大气窗口”波段??ｓＵｉＬ??０，０?８．０?１３．０?２５，０??ｋｌｙｒｎ??图１－５理想辐射体表面辐射特性??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｒａｄｉａｔｉｏｎ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｏｆ?ａｎ?ｉｄｅａｌ?ｒａｄｉａｔｏｒ??辐射冷却材料的冷却效果不仅受大气辐射特性的影响，而且与材料本身的选择性??辐射特性密切相关。图１－５为理想选择性辐射体的辐射特性，在“大气窗口”波段其??红外发射率为１，在除“大气窗口”波段之外的其他波段，发射率均为０，即反射率为??１。在夜晚，因为没有太阳辐射的影响，理想辐射体向外辐射热量同时不吸收外界热??量，从而实现夜晚降温；即使在阳关照射的白天，太阳光波段的能量主要集中在??０．２５￣２．５—，如果材料能达到理想辐射体１００％的反射率，白天降温也是可以实现的。??所以，目前研发和制备在“大气窗口”波段具有高发射率，在太阳能波段具有高反射??率的辐射冷却材料是解决夜晚和白天冷却降温的关键。??１．３辐射冷却材料国内外研究及应用现状??１．３．１国外研究现状??国外学者对辐射冷却的广泛研究开始于上世纪六七十年代。辐射冷却的研究主要??分为两类：夜间辐射冷却（忽略太阳辐射）和白天辐射冷却。为了实现夜间的辐射冷??却，要求材料在“大气窗口”具有高的发射率。Ａｌａｎ?Ｋ．Ｈｅａｄ等人ｔ２９Ｍ吏用在厚度为??０．９￣１．５哗的一氧化硅膜上真空蒸镀了一层铝膜制成了选择性辐射体，利用金、银、??铝膜的高反射性能以及热交换的辅助结构，首次实现了夜间辐射冷却的增强。Ｂｅｎｌａｔｔａｒ??等人利用化学沉淀的方法
【参考文献】：
期刊论文
[1]高红外辐射陶瓷材料的研究进展[J]. 王峰,钱学强,李小伟,韦国静,韩召,叶建克,陈义祥,李江涛. 硅酸盐通报. 2015(01)
[2]中美气候变化联合声明[J]. 本刊编辑部. 中国能源. 2014(11)
[3]大气层与大气压的变化[J]. 孙跃勇. 考试周刊. 2011(15)
[4]建筑外墙隔热涂料节能效果实测研究[J]. 邱童,徐强,李德荣,曹毅然,范宏武,杨伟华. 新型建筑材料. 2010(09)
[5]光谱发射率测量技术[J]. 戴景民,宋扬,王宗伟. 红外与激光工程. 2009(04)
[6]建筑材料日间曝晒和夜间辐射致冷热效果的研究[J]. 马一平,赵彪,李远珊. 材料导报. 2009(04)
[7]热辐射在介质表面反射及折射的微观机理[J]. 夏德宏,余涛,卢娇. 北京科技大学学报. 2008(06)
[8]建筑物辐射制冷研究[J]. 张志强,曾朋,苏文佳,李平. 郑州轻工业学院学报(自然科学版). 2008(02)
[9]一种搜寻辐射制冷材料的红外光谱分析方法[J]. 马一平,杨利香,王金前. 材料导报. 2007(04)
[10]世界能源消费现状和可再生能源发展趋势(上)[J]. 钱伯章. 节能与环保. 2006(03)
博士论文
[1]太阳能集热和辐射制冷综合利用的理论和实验研究[D]. 胡名科.中国科学技术大学 2017
[2]基于表面等离子体激元的光学滤波片与完美吸收超材料的设计及数值模拟[D]. 邵伟佳.中国科学技术大学 2014
[3]典型天气大气辐射传输特性研究[D]. 顾吉林.大连海事大学 2012
硕士论文
[1]亚磷酸镁晶体辐射制冷材料的研究[D]. 徐志魁.华南理工大学 2018
[2]微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究[D]. 吕尧兵.哈尔滨工业大学 2018
[3]高温高发射率涂层的制备及性能研究[D]. 常云鹏.北京理工大学 2015
[4]高发射率红外辐射涂料的制备与性能研究[D]. 蔡洪兵.华南理工大学 2010
[5]辐射制冷装置的数值模拟及实验研究[D]. 孟涛.江苏大学 2009
本文编号：3112566
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１大气光谱透过率曲线［１１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ?ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ［ｕ】??
位论文???物体吸收其他物体的热辐射导致物体温度的上升，同时物体向外辐射能量从而达到温??度的平衡。??辐射现象的根本原因是物体由诸如电子、质子、离子等微观电荷体组成，并且这??些电荷体一直在移动。由于某种原因，一旦电荷体的运动状态发生变化，就会伴随着??电磁辐射能量发射和吸收从而产生电磁波或光子。不同的光子之间具有不同的电磁振??动频率或者波长［２１］。电磁辐射的频率范围很宽，射线按频率从低到高的顺序排列为：??红外线、无线电波、可见光、Ｘ射线、紫外线、Ｙ射线、宇宙射线等，图１－３为电磁??辐射的频率和波长范围。??Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ??????＇４；????????????ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??Ｊ?Ｊ?ｉ?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＊１?ｓ?１?Ｉ?－?ｓ?１??４〇〇ｎｍ?Ｖｉｓｉｂｌｅ?ｌｉｇｈｔ?７００ｎｍ??图１－３电磁辐射的频率和波长范围??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ａｎｄ?ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｒａｎｇｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｒａｄｉａｔｉｏｎ??由于物质由大量带正电的原子核及带负电的电子组成，所以物质在外加磁场的作??用下，其内部正负电荷的运动状态发生变化，从而物质内部产生极化磁常正是由于??不同物质在电磁场的作用下，极化程度的不同，因此物质与电磁波之间的相互作用程??度有所差异，物质从而表现出不同的热辐射特性［２２］。从微观角度来看，电磁波与物质??的相互作用可归因于粒子的吸收和散射［２３］，吸收和散射特性与物质和电磁波的相互作??用密切相关。吸收的辐射能量转换成物质的热能，辐射则会改变电磁波的传播方向
?北京化工大学硕士学位论文???１?－????Ｓ／／大气窗口”波段??ｓＵｉＬ??０，０?８．０?１３．０?２５，０??ｋｌｙｒｎ??图１－５理想辐射体表面辐射特性??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｒａｄｉａｔｉｏｎ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｏｆ?ａｎ?ｉｄｅａｌ?ｒａｄｉａｔｏｒ??辐射冷却材料的冷却效果不仅受大气辐射特性的影响，而且与材料本身的选择性??辐射特性密切相关。图１－５为理想选择性辐射体的辐射特性，在“大气窗口”波段其??红外发射率为１，在除“大气窗口”波段之外的其他波段，发射率均为０，即反射率为??１。在夜晚，因为没有太阳辐射的影响，理想辐射体向外辐射热量同时不吸收外界热??量，从而实现夜晚降温；即使在阳关照射的白天，太阳光波段的能量主要集中在??０．２５￣２．５—，如果材料能达到理想辐射体１００％的反射率，白天降温也是可以实现的。??所以，目前研发和制备在“大气窗口”波段具有高发射率，在太阳能波段具有高反射??率的辐射冷却材料是解决夜晚和白天冷却降温的关键。??１．３辐射冷却材料国内外研究及应用现状??１．３．１国外研究现状??国外学者对辐射冷却的广泛研究开始于上世纪六七十年代。辐射冷却的研究主要??分为两类：夜间辐射冷却（忽略太阳辐射）和白天辐射冷却。为了实现夜间的辐射冷??却，要求材料在“大气窗口”具有高的发射率。Ａｌａｎ?Ｋ．Ｈｅａｄ等人ｔ２９Ｍ吏用在厚度为??０．９￣１．５哗的一氧化硅膜上真空蒸镀了一层铝膜制成了选择性辐射体，利用金、银、??铝膜的高反射性能以及热交换的辅助结构，首次实现了夜间辐射冷却的增强。Ｂｅｎｌａｔｔａｒ??等人利用化学沉淀的方法
【参考文献】：
期刊论文
[1]高红外辐射陶瓷材料的研究进展[J]. 王峰,钱学强,李小伟,韦国静,韩召,叶建克,陈义祥,李江涛. 硅酸盐通报. 2015(01)
[2]中美气候变化联合声明[J]. 本刊编辑部. 中国能源. 2014(11)
[3]大气层与大气压的变化[J]. 孙跃勇. 考试周刊. 2011(15)
[4]建筑外墙隔热涂料节能效果实测研究[J]. 邱童,徐强,李德荣,曹毅然,范宏武,杨伟华. 新型建筑材料. 2010(09)
[5]光谱发射率测量技术[J]. 戴景民,宋扬,王宗伟. 红外与激光工程. 2009(04)
[6]建筑材料日间曝晒和夜间辐射致冷热效果的研究[J]. 马一平,赵彪,李远珊. 材料导报. 2009(04)
[7]热辐射在介质表面反射及折射的微观机理[J]. 夏德宏,余涛,卢娇. 北京科技大学学报. 2008(06)
[8]建筑物辐射制冷研究[J]. 张志强,曾朋,苏文佳,李平. 郑州轻工业学院学报(自然科学版). 2008(02)
[9]一种搜寻辐射制冷材料的红外光谱分析方法[J]. 马一平,杨利香,王金前. 材料导报. 2007(04)
[10]世界能源消费现状和可再生能源发展趋势(上)[J]. 钱伯章. 节能与环保. 2006(03)
博士论文
[1]太阳能集热和辐射制冷综合利用的理论和实验研究[D]. 胡名科.中国科学技术大学 2017
[2]基于表面等离子体激元的光学滤波片与完美吸收超材料的设计及数值模拟[D]. 邵伟佳.中国科学技术大学 2014
[3]典型天气大气辐射传输特性研究[D]. 顾吉林.大连海事大学 2012
硕士论文
[1]亚磷酸镁晶体辐射制冷材料的研究[D]. 徐志魁.华南理工大学 2018
[2]微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究[D]. 吕尧兵.哈尔滨工业大学 2018
[3]高温高发射率涂层的制备及性能研究[D]. 常云鹏.北京理工大学 2015
[4]高发射率红外辐射涂料的制备与性能研究[D]. 蔡洪兵.华南理工大学 2010
[5]辐射制冷装置的数值模拟及实验研究[D]. 孟涛.江苏大学 2009
本文编号：3112566
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