一种辐射制冷织物及其设计方法

文档序号:161367 发布日期:2021-10-29 浏览:40次 >En<

阅读说明:本技术 一种辐射制冷织物及其设计方法 (Radiation refrigeration fabric and design method thereof ) 是由 马耀光 片思杰 王铸宁 于 2021-07-02 设计创作,主要内容包括:一种辐射制冷织物,包括层叠的第一层结构和第二层结构,所述第一层结构为反射膜,所述第二层结构为织物层,并且所述第二层结构由复合纤维编织而成,所述复合纤维包括高分子基材和分散于所述高分子基材中的微纳颗粒。该辐射制冷织物的设计方法,包括S1:确定所述第二层结构中微纳颗粒的最佳粒径;S2:确定所述第二层结构的第二厚度为最佳厚度。本发明所述的辐射制冷织物弥补了以往辐射制冷织物固有的漏光严重、紫外吸收严重等问题,其太阳光谱反射率大于90%,中红外波段发射率大于90%。本发明的设计方法,能快速确定填充的微纳颗粒的最佳粒径以及织物的最佳厚度,以实现在预定的体积百分数下,最佳的太阳光谱反射效率以及辐射制冷功率。(The utility model provides a radiation refrigeration fabric, is including range upon range of first layer structure and second floor structure, first layer structure is the reflectance coating, the second floor structure is the fabric layer, and the second floor structure is woven by composite fiber and is formed, composite fiber include the polymer substrate with disperse in receive the nano-particle in the polymer substrate. The design method of the radiation refrigeration fabric comprises the following steps of S1: determining the optimal particle size of micro-nano particles in the second layer structure; s2: determining a second thickness of the second layer structure as an optimal thickness. The radiation refrigeration fabric provided by the invention makes up the inherent problems of serious light leakage, serious ultraviolet absorption and the like of the conventional radiation refrigeration fabric, and has a solar spectrum reflectivity of more than 90% and a mid-infrared band emissivity of more than 90%. The design method can rapidly determine the optimal particle size of the filled micro-nano particles and the optimal thickness of the fabric so as to realize the optimal solar spectrum reflection efficiency and radiation refrigeration power under the preset volume percentage.)

一种辐射制冷织物及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种辐射制冷领域,特别是涉及一种辐射制冷织物及其设计方法。

背景技术

能源推动着文明发展进步,我们享受的现代化生活无不建立在能源消耗的基础之上。但能源的高消耗会造成温室气体的过度排放,导致全球变暖,扰乱气候平衡。全球变暖不仅带来威胁到人类的健康高温极端天气,还限制了工业劳动力和生产力的发展。据美国能源部和国家能源局统计,建筑空间供热和制冷消耗了全球15%的电力和产生了全球10%的温室气体排放,是住宅和商业能源消耗的主要部分。随着“温室效应”和全球变暖的加剧,对制冷的能源需求日益增加,到2050年,对冷却系统的需求预计将增长10倍,这导致了大量的能源消耗,并进一步对人类可持续发展构成巨大挑战。面对巨大的能源消耗问题,人们希望寻求有效和经济的方式为人体提供局部降温,而不将多余的电力浪费在整个建筑或是外部开放环境上,实现低能耗和低污染的个人热管理。

辐射制冷技术通过材料的选择和结构的设计,使物体在在太阳辐射,0.3μm-2.5μm波长范围实现高反射率,极大阻挡通过太阳辐射的热量输入,在人体热辐射波段,8μm-13μm波段内实现高发射率,从而将人体的热辐射损失最大化,有效实现零能耗降温的目的,具有重要的节能意义。

相较于过去常见的薄膜态,复合纤维态的辐射制冷材料所具备的透气透湿特性和柔性,更适合人体热管理以及例如顶棚、车罩、遮阳伞等生活用品的应用。美国斯坦福大学Cui教授团队利用工业挤压和相分离过程,制备得到了具有100nm-1000nm空气孔的PE复合纤维,用该复合纤维制造的织物平均红外透过率超过70%,不透明度达到90%,测试时覆盖纳米多孔PE织物的皮肤温度比覆盖棉织物低2.3℃,可实现不透明的个人热管理。不过,该方法采用的红外高透过率复合纤维,其制冷原理需要被制冷表面本身在红外光波段具有高发射率,一定程度上限制这类复合纤维的应用范围,并且在太阳辐射波段的放射率受限,在室外阳光直射条件下难以实现有效的辐射制冷。

在高发射率制冷复合纤维方面,美国哥伦比亚大学Yu教授团队同样采用相分离的方法,拉制出了直径约100μm,空气孔截面孔密度达17μm-2的复合纤维,其太阳光反射率可达93%,并具有0.91的红外发射率。不过,限于制备工艺,这种方法得到的复合纤维较粗,降低了穿戴舒适性。并且这类采用空气孔散射太阳光的方式需要相分离过程,不易控制空气孔尺寸,流程相对复杂。另一种方法,如中国专利公开号为CN110042564A的专利所公开的一种辐射制冷复合纤维膜及其制备方法和应用,将单分散性好的高发射的辐射粒子SiO2微球均匀分散在聚合物,如PE、PA6、PMMA、PVDF溶液中,通过静电纺丝得到复合纤维膜,具备给人体皮肤表面辐射降温的能力,但此方法生产效率低,工艺复杂,设备成本高,而且生产的复合纤维强度低,无法用于人体辐射制冷织物。还有一种如中国专利公开号为CN110685031A所公开的辐射制冷复合纤维及其制备方法、应用,提出将如TiO2、ZnO等在内的常见微米颗粒与聚合物基底,如PMMA、PE等混合,熔融纺丝拉制得到辐射制冷复合纤维,该复合纤维线密度为1dtex-20dtex,填料粒径优选为3μm-5μm,可见-近红外光反射率可到≥60%,8μm-13μm大气窗口发射率≥80%。不过,该方法采用的微米级介质颗粒加聚合物基底的结构对太阳光波段反射效果并不理想,并不能起到很好的日间辐射制冷效果。此外,上述各种方法大多只提供了复合纤维本身,直接编织得到的织物由于厚度不均、存在起伏以及孔隙等问题,不能有效提高最终织物的太阳辐射的反射率,并不能有效实现室外日间辐射制冷。

综上所述,现缺乏一种与现有技术兼容、结构简单且高效的辐射制冷织物结构,以及对这类复合纤维结构进行优化的设计方法,使织物具有优良的辐射制冷性能,且成本低、生产效率高等优点。

发明内容

有鉴于此,本发明提供一种辐射制冷复合纤维的设计方法以及该辐射制冷复合纤维,以克服现有辐射制冷复合纤维技术中制备方法复杂、成本高、效果差等问题,得到兼具辐射制冷性能和可穿戴性能的人体降温织物。

为了解决上述问题,本发明主要提供如下技术方案:

一种辐射制冷织物,包括层叠的第一层结构和第二层结构,其特征在于:

所述第一层结构为反射膜,所述第一层结构能够反射紫外光;

所述第二层结构为织物层,并且所述第二层结构能够反射可见-近红外光波段以及发射中红外波段,并且所述第二层结构由复合纤维编织而成,所述复合纤维包括高分子基材和分散于所述高分子基材中的微纳颗粒。

优选地,所述第一层结构为具有第一厚度的聚合物多孔气溶胶薄膜,所述第二层结构具有第二厚度。

优选地,所述第一层结构为聚合物多孔气溶胶薄膜,所述聚合物可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚甲基戊烯(TPX)或聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或几种的混合;

所述第二层结构的复合纤维中的高分子基材,包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(TPX)或聚氟乙烯(PVDF)中的至少一种;所述第二层结构的复合纤维中的微纳颗粒,包括二氧化钛(TiO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、硫酸钡(BaSO4)、氮化硅(Si3N4)和硫酸钙(CaSO4)中的至少一种。

所述第一层结构的第一厚度为5μm-200μm,所述第二层结构的第二厚度为100μm-1000μm。

优选地,所述第二层结构的复合纤维的直径范围为3μm-200μm,所述第二层结构的复合纤维中的微纳颗粒的直径范围为0.05μm-5μm。

上述辐射制冷织物的设计方法,包括以下步骤:

S1:根据预定的第一层结构(1)的材料,第一层结构(1)的厚度、高分子基材材料、微纳颗粒材料以及预定的微纳颗粒的体积百分数(Vd),确定所述第二层结构(2)中微纳颗粒的最佳粒径(D);

S2:根据所述最佳粒径(D),以及上述预定的参数,确定所述第二层结构(2)的第二厚度为最佳厚度(df)。

优选地,所述步骤S1,具体包括:

S11,确定微纳颗粒粒径的第一可选范围,根据微纳颗粒粒径的第一可选范围,预定的微纳颗粒材料,得到在该第一可选范围内以第一粒径间隔为间隔的第一组可选粒径,得到该第一组可选粒径中多个不同粒径的微纳颗粒对应的散射效率曲线,并且选取散射效率峰值在可见-近红外波段的微纳颗粒的粒径范围,作为第二可选范围;

S12,在该第二可选范围内,以第二粒径间隔为间隔,选取一组第二可选粒径,根据该组第二可选粒径中不同粒径的微纳颗粒,利用第一数值仿真模型,得到该不同粒径的微纳颗粒、不同的第二层结构的厚度的织物在太阳辐射波段下的反射率、透过率数据;

S13,根据上述步骤中得到该不同粒径的微纳颗粒、不同的第二层结构的厚度的织物在太阳辐射波段下的反射率、透过率数据,得到在不同的第二层结构的厚度下,不同微纳颗粒的粒径下,该辐射制冷织物在预定太阳光谱下,对紫外-可见-近红外波段的平均反射率以及平均透过率,根据上述平均反射率选取微纳颗粒的最佳粒径(D)。

优选地,所述步骤S2具体包括

S21,根据微纳颗粒的最佳粒径(D)以及预定的微纳颗粒的体积百分数(Vd),利用第二数值仿真模型,来得到不同的第二层结构厚度下辐射制冷织物在中红外波段的发射率数据;

S22,根据该辐射制冷织物在不同厚度下在中红外波段的发射率数据,以及步骤S13中得到的该最佳粒径的微纳颗粒的辐射制冷织物在不同第二层结构厚度下的太阳辐射波段下的平均反射率和平均透射率,利用第三数值仿真模型,得到该不同厚度织物的净制冷功率(qcool),选取该净制冷功率(qcool)最大时的厚度为最佳织物厚度。

优选地,上述步骤S11中,散射效率Qs为:

σs为微纳颗粒的散射截面,微纳颗粒的散射截面(m2)=总散射能(W)/入射光强度(W/m2),A表示颗粒最大几何截面,对于球形的微纳颗粒,A=πR2,其中R为球体的半径;

所述步骤S12中,所述第一数值仿真模型为基于蒙特-卡洛仿真的数值仿真模型;

所述步骤S13中,所述平均反射率(ρfab,sun)为:

其中Isun(λ)为预定太阳光谱,ρ(D,λ,df)为微纳颗粒直径D、织物层厚度为df下织物关于波长λ的反射光谱,λ1和λ2分别为加权的波长范围的下限和上限,ρ(D,λ,df)由S12步骤中的反射率数据拟合得到。

优选地,所述步骤S21中,所述第二数值仿真模型为将织物等效为一随机复合纤维模型,进而测量得到不同厚度的第二层结构的织物在中红外波段的发射率、反射率和透射率数据;

所述步骤S22中,所述第三数值仿真模型为维稳态热学模型。

优选地,所述第一数值仿真模型将所述织物等效为双层薄膜结构,第一层结构(1)等效为第一层(6),第二层结构(2)等效为第二层(5),其中第一层(6)的厚度看作为0,所述第二层(5)的厚度(deff)与第二层结构(2)的厚度(df)通过下式相关联,

其中,ρf、ρp和ρs分别是第二层结构、微纳颗粒和高分子基材的密度,Vd是微纳颗粒的体积百分数。

优选地,利用第二数值仿真模型得到该织物在中红外波段的发射率数据,需要确定织物层中复合纤维的体积分数(Vfiber)、复合纤维的直径(Dfiber)、复合纤维的等效折射率(neff);

其中复合纤维的直径(Dfiber)是一测量出来的定值;

其中,复合纤维的体积分数(Vfiber)由下式定义:

ρf、ρp和ρs分别是第二层结构、微纳颗粒和高分子基材的密度,Vd是微纳颗粒的体积百分数;

复合纤维的等效折射率

其中,等效介电常数∈eff和等效磁导率μeff由以下公式得到:

其中,N是复合纤维单位体积内微纳颗粒数量,其中Vd是预定的微纳颗粒的体积百分数,R是微纳颗粒的半径;

s是高分子基材的介电常数,kh是高分子基材内的光的波数,μ0是真空中的磁导率,其中a1、b1由下式得到:

其中,K=2π/λ是真空中的波数,ψn和ξn是Riccati-Bessel函数,

其中n为自然数,m0为高分子基材的折射率,m1为掺杂的微纳颗粒的折射率。

优选地,该第三数值仿真模型包含四层结构,分别是被制冷物体,具有一定厚度的空气层,辐射制冷织物,以及外部环境层。

优选地,所述净制冷功率(qcool)可以通过以下方程求解:

其中,ρfab,ir,τfab,ir,αfab,ir和εfab,ir分别表示织物对人体红外辐射谱的平均反射率、透过率,吸收率和发射率,Ihb是人体红外辐射谱,可以利用现有的数据,RMIR、TMIR、EMIR为最佳粒径是时不同厚度的第二层结构的织物在中红外波段的反射率、透射率和发射率数据;

Ie是大气红外辐射谱,Ie(λ)=Ibb(Tamb,λ)·EAT(λ),Ibb(Tamb,λ)是温度为环境温度Tamb时的黑体辐射谱,EAT(λ)是大气发射率谱;ρskin,sun、ρfab,sun和τfab,sun表示人体对太阳辐射谱的平均反射率、织物对太阳辐射谱的平均反射率和织物对太阳辐射谱的平均透过率;qgen是人体代谢产热功率密度;qsun是太阳辐射总功率密度;Tskin、Tto和Tti分别是被制冷物体表面、织物上表面和织物下表面温度;tfab、tair分别表示织物层和空气层的厚度,这里由于辐射制冷织物中第一层气溶胶薄膜厚度可以忽略,可以认为tfab就是df;kfab、kair分别表示织物和空气的热导率;σ=5.67×10-8W·m-2·K-4是斯特潘-玻尔兹曼常数;qrad,skin、qrad,amb、qrad,ti、qcond,air、qrad,to、qconv由以下公式计算:

qconv=h·(Tto-Tamb) (31)

其中,εamb为大气中红外平均发射率,h是空气对流系数。

借由上述技术方案,本发明提供的技术方案至少具有下列优点:

本发明所述的辐射制冷织物相对于现有技术的优势在于,本发明所述的辐射制冷织物具有双层结构,结构简单,成本低,弥补了以往辐射制冷织物与固有的漏光严重、紫外吸收严重等问题,其太阳光谱(0.3μm-2.5μm)反射率大于90%,中红外波段(8μm-13μm)发射率大于90%。

本发明的设计方法,在预定的材料、预定的复合纤维厚度范围、以及预定的微纳颗粒体积百分数下,快速确定填充的微纳颗粒的最佳粒径以及织物的最佳厚度,以实现在预定的体积百分数下,最佳的太阳光谱反射效率以及辐射制冷功率。

附图说明

图1为本发明实施例的辐射制冷织物的截面示意图。

图2为本发明实施例的多个不同的微纳颗粒粒径的散射效率曲线。

图3a为本发明实施例的辐射制冷织物另一方向的截面示意图,图3b为根据第一数值仿真模型等效后的双层薄膜结构的示意图。

图4为本发明实施例的第一数值仿真模型的原理示意图。

图5为本发明实施例的多个等效双层薄膜结构在不同厚度下、不同微纳颗粒粒径下,对可见-近红外波段的太阳光谱平均反射率的示意图。

图6为根据第二数值仿真模型等效后的示意图。

图7为本发明实施例的辐射制冷织物的根据第三数值仿真模型等效后的示意图。

图8为本发明实施例的辐射制冷织物的净制冷功率qcool的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种辐射制冷复合纤维,如图1所示,该辐射制冷织物包括双层结构,分别是层叠设置的第一层结构1和第二层结构2,所述第一层结构1包括聚合物多孔气溶胶薄膜,所述第二层结构为织物层。所述织物层包括复合纤维编织结构,该复合纤维包括高分子基材3和分散于所述高分子基材中的微纳颗粒4。

所述聚合物多孔气溶胶薄膜中的孔隙率为10%-90%,所述第二层结构,即织物层的厚度为100μm-1000μm,所述复合纤维中微纳颗粒的体积百分数为5%-20%,复合纤维的直径为3μm-200μm,所述辐射制冷织物利用第一层结构1即聚合物多孔气溶胶层反射紫外光,特别是0.3μm-0.4μm波段的紫外光,利用第二层结构2中的微纳颗粒反射可见-近红外光,特别是0.4μm-2.5μm波段的可见-近红外光,利用第二层结构2中的高分子基材辐射红外光,特别是7μm-14μm波段的中红外光。实现对紫外光的反射以及对人体红外波段的热量的发射,起到辐射制冷的作用。

可选的,所述聚合物多孔气溶胶薄膜厚度为5μm-200μm,优选为25μm-75μm。

优选的,所述聚合物多孔气溶胶薄膜满足在0.3μm-2.5μm范围的太阳辐射波段具有低吸收率,并且同时在0.3μm-0.4μm范围的紫外波段具有高反射率的特性,可以采用的材料为在0.3μm-2.5μm太阳辐射波段具有高透过率的热塑性聚合物,包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚甲基戊烯(TPX)或聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或几种的混合,所述聚合物构成的气溶胶薄膜,其内部微结构的尺寸为0.1μm-3μm,所述的微结构可以是气溶胶薄膜空气孔、聚合物微纳复合纤维或聚合物颗粒中的至少一种。

优选的,所述高分子基材3满足在0.4μm-2.5μm范围的可见-近红外波段具有高透过率,并且同时在7μm-14μm范围的中红外光波段具有高吸收率(发射率)特性,可以采用的材料为在可见-近红外波段具有低吸收率,并且在7μm-14μm范围的中红外光波段具有高吸收率的热塑性聚合物,例如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene,PTFE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚甲基戊烯(polymethylpentene,TPX)或聚偏氟乙烯(poly(1,1-difluoroethylene),PVDF)中的至少一种。

可选的,所述微纳颗粒4选取在0.4μm-2.5μm的可见-近红外波段具有高折射率特性,折射率范围为1.6-3的材料,微纳颗粒的形状可以为圆、椭圆或者不规则形态。优选地,微纳颗粒的材料可以是二氧化钛(TiO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、硫酸钡(BaSO4)、氮化硅(Si3N4)和硫酸钙(CaSO4)中的至少一种。

该辐射制冷织物的设计方法,包括以下步骤:

S1:根据预定的第一层结构1的材料,第一层结构1的厚度、高分子基材材料、微纳颗粒材料以及预定的微纳颗粒的体积百分数vd,确定所述第二层结构2中微纳颗粒的最佳粒径D;

S2:根据最佳粒径D,以及上述预定的各个参数,确定第二层结构2的最佳厚度df

因为第一层结构为薄膜,第二层结构为织物层,第一层结构的厚度远大于第一层结构,因此,以下设计方法中,第一层结构的薄膜厚度都可以忽略不计来计算,优选地,该第一层结构的厚度小于100μm。

具体的,该步骤S1包括:

S11,先设定微纳颗粒的粒径的第一可选范围,该第一可选范围可以是预先设定,按照可以选取的微纳颗粒的材料来调整,例如该微纳颗粒的粒径的第一可选范围为0.05μm-5μm,并且设定一第一粒径间隔,该第一粒径间隔越小,则后期计算出的数据越准确,例如,该第一粒径间隔可以为0.25μm。

然后在该第一可选范围内,按照该预定的粒径间隔选取一组第一可选微纳颗粒粒径,该组第一可选微纳颗粒粒径,包括按照第一粒径间隔的多个不同的微纳颗粒粒径,然后得到该多个不同的微纳颗粒粒径分别的散射效率曲线,该散射效率曲线的横坐标为波长,纵坐标为散射效率,其中散射效率Qs为:

σs为微纳颗粒的散射截面,微纳颗粒的散射截面(m2)=总散射能(W)/入射光强度(W/m2),A表示微纳颗粒最大几何截面,对于球形的微纳颗粒,A=πR2,其中R为微纳颗粒球体的半径。

更加具体的,该步骤中可利用软件仿真,先基于时域有限差分法的FDTDsolutions构建三维球形颗粒,即上述步骤中所述的微纳颗粒,光源选用全场散射场光源(TFSF),使得未被反射的光源部分光不会进入功率探测器,光源波长为0.4μm-2.5μm,即选取可见光-近红外波段的光作为光源,边界条件设置为完美匹配层(PML),使得测试边界不反射光线,进而测试空间就等于是无限大的空间。添加截面分析组,即功率探测器,测量被散射的光的功率以及被吸收的光功率的绝对值。进而得到中散射能,进而通过上述公式(1)得到散射效率曲线,如图2所示,为多个不同的微纳颗粒粒径的散射效率曲线。进而,从上述散射效率曲线中,选取散射效率峰值在在可见-近红外波段,即0.4μm-2.5μm波段内的微纳颗粒的粒径尺寸为0.1μm-1.6μm,即为第二可选范围。

例如具体的,选取微纳颗粒材料为TiO2,聚合物基底材料为PLA时,参见图2所示,为不同粒径尺寸的微纳颗粒的散射效率曲线,横坐标为波长,竖坐标为散射效率,每条线代表不同的微纳颗粒的粒径,因此可以看到散射效率峰值在0.4μm-2.5μm波段内的微纳颗粒的粒径尺寸为0.1μm-1.6μm,该范围即为所述第二可选范围。

该步骤中,我们还可以通过同样的方式得到不同粒径的微纳颗粒的吸收效率曲线。

其中,Qa为颗粒吸收效率,σa为颗粒的吸收截面,颗粒的吸收截面(m2)=总吸收能(W)/入射光强度(W/m2)。吸收效率在该步骤中初步筛选微纳颗粒粒径没有作用,但是会在后续的一些计算中使用到该数据。

S12,从该第二可选范围内,根据第二粒径间隔,选取一组第二可选粒径,该组第二可选粒径包含以第二粒径间隔为间隔的多个微纳颗粒的粒径。然后根据该组第二可选粒径,得到多个不同厚度、不同微纳颗粒粒径的等效双层薄膜结构。然后计算该多个等效结构的反射率数据。该第二粒径间隔可以为0.1μm。

因为该辐射制冷织物为双层结构,因此,在选取合适的微纳颗粒使得该辐射制冷织物具有最好的紫外光反射率以及近红外波段最好的发射率,如果根据实际测量来得到,则需要测量无数次才能得到微纳颗粒的最佳粒径的选取。因此,利用数学建模,首先将该双层织物结构等效为双层薄膜结构,再利用数值仿真模型和计算机仿真软件,测量该不同条件下的反射率以及发射率,进而能够快速得到微纳颗粒的最佳粒径的选取。而上述数值仿真模型,可以是采用任一现有的数学模型,只要是可以用来计算物理量的解析模型或者数值模型即可。

因此,该步骤中,首先,将该双层织物结构等效为一双层薄膜结构,如图3a所示,为该双层织物的示意图,图3b为等效后的双层薄膜的示意图,其中第一层结构1等效为第一层6,第二层结构等效为第二层5。其中第一层6的厚度为0,作为第二层5的上表面。选取不同的第二层结构的厚度,就可以得到多个不同厚度的等效薄膜结构。

等效转换时,第二层5的厚度deff与织物层即第二层结构2的厚度df通过下式相关联

其中,ρf、ρp和ρs分别是第二层结构、微纳颗粒和高分子基材的密度,Vd是微纳颗粒的体积百分数。微纳颗粒和高分子基材的密度即其质量密度,在选材时就直接确定。第二层织物的密度在确定高分子基材材料以及微纳颗粒体积百分数后,就为一个与织物层厚度无关的定值,故可以制备一块任意厚度、任意粒径的样品,通过测量得到密度,其定义为单位面积内第二层结构即织物层的质量(g/cm2)/df;具体测量方法为:取一块织物样品,测量其面积为Afabric,测量其厚度为df,测量其质量为mfabric,得到第二层织物密度

要计算等效双层薄膜结构的反射率,还需要知道以下参数:第一层6的反射率Ruvf和透过率Tuvf,第二层5的等效散射系数μ、等效吸收系数μ和等效非对称参数g。其中,反射率Ruvf和透过率Tuvf即辐射制冷织物中第一层聚合物气溶胶薄膜的反射率和透过率,在确定了使用何种聚合物气溶胶薄膜后,就可以利用紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)分光光度计和积分球测量得到反射率Ruvf和透过率Tuvf。另外三个参数由下式计算得到:

其中,N(R)是半径为R的微纳颗粒在单位体积内的数量,N(R)=3Vd(R)/(4πR3),μa0是高分子基材的吸收系数,Qs和Qa由式(1)、(2)给出。gλ是颗粒的非对称参数,它表明了光子被颗粒散射到不同方向的概率

其中

其中,K=2π/λ是真空中的波数,ψn和ξn是Riccati-Bessel函数,

其中n为自然数,m0为高分子基材的折射率,m1为掺杂的颗粒的折射率。

该步骤中,我们将双层织物结构等效为等效双层薄膜结构,并且得到该等效双层薄膜结构的全部参数,包括第一层6的反射率与透过率,第二层5的厚度df,,以及第二层5的等效参数μ、μ和g。将这些参数带入下述第一数值仿真模型即可计算得到等效双层薄膜结构的在太阳辐射波段的反射率、透过率。第一层6的厚度看作为0。

该步骤中,对于简化过的等效薄膜结构,仍难以找到一个解析方式,对其反射率与透射率进行直接求解,即找不到一个或几个公式直接计算结构的反射率,因此,利用第一数值仿真模型进行建模求解,这里选择了基于蒙特-卡洛仿真的数值仿真模型作为第一数值仿真模型。

该数值仿真模型是一种概率统计模型,如图4所示,简单来讲,我们每次打入一个光子能量包,并基于薄膜的一些基本参数对光子在结构中的运动轨迹进行模拟,单个光子包将在薄膜内按照一定的概率发生散射、吸收,最后从上/下界面出射,或者剩余能量被全部吸收,从而完成对一个光子能量包在薄膜结构内运动的模拟。此后,我们通过模拟大量这种光子包在薄膜结构内的运动过程,例如,模拟2000次、5000次、10000次乃至更多的光子能量包入射并在薄膜内部运动的过程,并统计这些光子包从上/下界面出射,分别对应着被结构反射和透射,以及被吸收的能量,计算这些能量占总能量的比例,我们就可以将这些模拟统计结果作为结构的反射率、透射率与吸收率使用。

对单个光子能量包在薄膜内运动过程的模拟,则通过程序运行以下步骤:

A1,在紫外-可见-近红外的波长范围等间隔取一定的离散点,对每个波长的点打入一定的光子能量包,该数量可以是5000个,每个光子能量包其能量设置为1;

A2,每个光子能量包首先在薄膜结构上表面发生反射与透射,上表面的反射率与透射率即层6的反射率与透射率,如前所述,这个值是用分光光度计测量得到的,被反射的光能量包累积计入总反射能WR

A3,被透射的光子能量包,在等效薄膜结构内进行散射循环;首先给定一个随机自由程参数s,并且在s=0时,令s=-ln(ξ),ξ是值为0-1之间的随机数,进一步的,本次循环中光子能量包的自由程即发生散射和吸收前光子直线运动的距离l=s/μ,其中,μ=μ是该薄膜的等效消光系数;同时,确定此时光子能量包与薄膜上或下边界的距离db,具体是选择哪个边界取决于光子包的运动方向,光子包的运动方向的竖直分量,即垂直于薄膜的方向的分量,朝上,则选择上边界,竖直分量方向朝下,则选择下边界。并利用db与l的大小判断此时光子能量包是否碰到边界。

若判断光子不会碰到边界,则光子能量包运动距离l,能量发生吸收衰减w=w×exp(-μ·l),剩余的光子能量包由于发生散射而改变传播方向,新的传播方向相对于原传播方向的偏转角θ与方位角ψ为

ψ=2πζ (12)

其中ζ是0-1之间的随机数。

若判断光子包碰到边界,则光子发生反射与透射,上边界的反射率与透射率即层6的反射率与透射率,下边界的反射率与透射率由斯涅耳折射定律直接给出,发生透射的部分能量,根据其透射的边界是上/下边界而累积计入总反/透射能WR/WT;发生反射的部分能量,根据入射角=反射角的反射定律改变传播方向,并继续在薄膜内传播剩余光程,然后发生吸收和散射。

A4,通过将剩余光子包能量w与阈值能量wt比较,判断该光子是否需要继续进行传播和散射,该wt可以设置为0.0001,若光子包能量高于所述阈值,则继续下一次传播,若光子包能量低于所述阈值,则该光子包结束循环,开始模拟下一个光子包的传输过程。

该数值仿真模型一中,单个光子能量包的模拟传播过程示意如下右图中箭头所示,光子能量包入射后,在膜内经历了多次散射与吸收,最后一部分能量从膜结构逃逸,计入反射或者透射,另一部分能量在膜内被吸收,如图3b所示。

最终,通过统计大量的光子能量包的反射、透射、吸收情况,就可以得到该等效结构的反射率、透射率和吸收率,只要光子能量包的数量足够多,该模拟得到的数值将无限接近于理论值。

因此,通过该步骤,可以得到不同的织物的第二层结构2的厚度、不同微纳颗粒的粒径下,该双层辐射制冷织物的反射率、透过率数据。

S13,根据上述步骤中得到的不同的第二层结构2的厚度、不同微纳颗粒的粒径下,辐射制冷织物的反射率、透过率数据。即根据多个等效双层薄膜结构的反射率,计算在预定太阳光谱下、多个等效双层薄膜结构对紫外-可见-近红外波段的平均反射率,根据所述的平均反射率,得出不同的织物的第二层结构2的厚度下微纳颗粒的最佳粒径。

优选地,根据步骤S12中得到的多个等效结构的反射率数据,计算在预定太阳光谱下、各个等效结构对紫外-可见-近红外波段的平均反射率,根据所述的平均反射率,得出不同厚度下微纳颗粒的最佳粒径;所述平均反射率,是按反射率公式中的波长进行加权,即在预定的太阳光谱下计算紫外-可见-近红外波段的反射率的加权来得到该平均反射率,因此该平均反射率与等效结构的厚度、微纳颗粒的粒径有关。

该平均反射率ρfab,sun,其物理意义是,被反射的太阳辐射功率(W)÷入射总太阳功率(W),其计算方法如下式

其中Isun(λ)为预定太阳光谱,可以是AM1.5太阳光谱,是现实中的太阳光及其入射角度所产生的不同的光的强度。ρ(D,λ,df)为微纳颗粒直径D、织物层厚度为df下织物关于波长λ的反射光谱。λ1和λ2分别为加权的波长范围的下限和上限,例如,选取紫外-可见-近红外波段,该λ1为0.3μm,λ2为2.5μm。

由此,我们可以得到ρfab,sun(D,df)与结构厚度、微纳颗粒粒径以及反射率之间的分布图,如图5所示,在不同的等效结构薄膜厚度下,微纳颗粒的粒径在500nm左右时,平均反射率均为最高,因此得到最佳的粒径为500nm。

此外,该步骤中也能顺便计算出辐射制冷织物对太阳辐射的平均透过率,该平均透过率对优化颗粒粒径没有作用,但是会在后续优化第二层结构,即织物层厚度时被使用。

该平均透过率,其物理意义是,被结构透射的太阳辐射功率(W)÷入射总太阳功率(W),其计算方法如下式

其中Isun(λ)为预定太阳光谱,可以是AM1.5太阳光谱,是现实中的太阳光及其入射角度所产生的不同的光的强度。τ(D,λ,df)为微纳颗粒直径D、织物厚度为df下织物关于波长λ的透射光谱。λ1和λ2分别为加权的波长范围的下限和上限,例如,选取紫外-可见-近红外波段,该λ1为0.3μm,λ2为2.5μm。

得到相应的最佳粒径D后。继续确定该第二层结构的最佳厚度df

S2:根据最佳粒径D,以及上述预定的各个参数,确定第二层结构2的最佳厚度df。具体分为以下步骤。

S21:确定最佳粒径后,将该辐射制冷织物结构等效为随机复合纤维模型,进而利用第二数值仿真模型来计算该辐射制冷织物的发射率数据。

具体为利用第二数值仿真模型来计算该织物在中红外波段的发射率数据。为此,需要知道织物层中复合纤维的体积分数Vfiber、复合纤维的直径Dfiber、复合纤维的等效折射率neff

这里,所有参数在前面已经定义过,可以直接计算得到。

复合纤维的直径Dfiber,在选材、微纳颗粒体积百分数确定之后,就确定为一个定值,它是根据测量得到的。测量方法为:取一些复合纤维样品,利用显微镜拍照直接测量得到,例如,实际的样品测出来是30μm。

复合纤维的等效折射率neff可以利用等效介质理论(Effective Medium Theory,EMT)得到,首先利用以下两式计算复合纤维的等效介电常数∈eff和等效磁导率μeff

其中,N是复合纤维单位体积内微纳颗粒数量,其中Vd是预定的微纳颗粒的体积百分数,R是微纳颗粒的半径;

s是高分子基材介电常数,kh是高分子基材内的光的波数,μ0是真空中的磁导率。由此得到的复合纤维的等效折射率为a1,b1就是公式9、10中定义的数值。

至此,我们只要将得到的Vfiber、Dfiber、neff三个量代入第二数值仿真模型中,就可以计算得到辐射制冷织物在中红外波段的发射率。

第二数值仿真模型,将织物等效为一个随机复合纤维模型,如图3a、6所示,该随机复合纤维模型由平行排列的无限长圆柱形复合纤维组成,图6为其横截面图。这里,我们使用基于时域有限差分法的FDTD solutions构建二维圆形结构,即上述步骤中无限长平行圆柱复合纤维的截面,图中,Pf可以设为大于14μm的任意值,Pf为仿真中织物的宽度。真实的织物厚度是有限的,但是长度是非常大的,可以到几米。对于数值仿真而言几米的长度计算十分耗时,因此希望能够用一个更小的厚度来进行仿真,但能够尽可能接近实际。这个距离若过小,小于14μm,会导致计算精度降低,大于14μm,如设置为15,20μm,则可以很好的模拟出实际的情况。圆柱复合纤维的数量折射率设置为neff,光源选用平面波光源(Plane wave),光源波长为7μm-14μm,即选取中红外波段的光作为光源,仿真软件中FDTD区域的x边界,即平行于平面波传播方向条件设置为周期性边界条件(Period),y边界,即垂直于平面波传播方向条件设置为完美匹配层(PML)。在模型前后方向分别添加一个功率探测器,用于得到反射率RMIR与透射率TMIR,得到不同厚度的第二层结构的中红外发射率EMIR=1-RMIR-TMIR

S22,根据不同厚度的辐射制冷织物,在上述太阳辐射波段下的平均反射率和平均透射率数据,例如S13步骤中得到的。以及在S21步骤中的在中红外波段的反射率、透射率和发射率数据。代入第三数值仿真模型中,该第三数值仿真模型为热学模型,进而得到不同厚度织物的净制冷功率qcool,该值最大时取得最佳织物厚度。

该第三数值仿真模型为维稳态热学模型,该模型包含四层结构,分别是被制冷物体,具有一定厚度的空气层,辐射制冷织物,以及外部环境,如图7所示。

在该模型中,净制冷功率qcool可以通过下述方程求解得到

其中,ρfab,ir,τfab,ir,αfab,ir和εfab,ir分别表示织物对人体红外辐射谱的平均反射率、透过率,吸收率和发射率,分别表示人体红外总辐射功率密度(W/m2)中,织物反射、透射和吸收的功率密度所占的比例;并由下式计算:

其中,Ihb是人体红外辐射谱,可以利用现有的数据,RMIR、TMIR、EMIR在步骤S21中已经计算得到。只考虑中红外波段的影响时,λ1为7μm,λ2为14μm。

ρfab,ire,τfab,ire和αfab,ire,εfab,ire表示织物对环境即大气红外辐射谱的平均反射率、透过率,吸收率和发射率,分别表示大气红外总辐射功率密度(W/m2)中,织物反射、透射和吸收的功率密度所占的比例;并由下式计算:

其中,Ie是大气红外辐射谱,Ie(λ)=Ibb(Tamb,λ)·EAT(λ),这里Ibb(Tamb,λ)是温度为环境温度Tamb时的黑体辐射谱,EAT(λ)是大气发射率谱,可以直接利用现有数据。当只考虑中红外波段的影响时,λ1为7μm,λ2为14μm。

ρskin,sun、ρfab,sun和τfab,sun表示人体对太阳辐射谱的平均反射率、织物对太阳辐射谱的平均反射率和织物对太阳辐射谱的平均透过率,分别表示太阳总辐射功率密度(W/m2)中,人体反射、织物反射和织物透射的功率密度所占的比例;ρskin,sun可直接预设为0.36,是以往研究的经验值;ρfab,sun和τfab,sun在公式(13)(14)中已经计算得到。

qgen是人体代谢产热功率密度,取定值141W/m2;qsun是太阳辐射总功率密度,根据标准化机构测得为980W/m2;Tskin、Tto和Tti分别是被制冷物体表面(即人体皮肤表面)、织物上表面和织物下表面温度;tfab、tair分别表示织物层和空气层的厚度,这里由于辐射制冷织物中第一层气溶胶薄膜厚度可以忽略,可以认为tfab就是df;kfab、kair分别表示织物和空气的热导率;σ=5.67×10-8W·m-2·K-4是斯特潘-玻尔兹曼常数;皮肤的热辐射功率(W/m2)qrad,skin,环境的热辐射功率(W/m2)qrad,amb,织物内表面的热辐射功率(W/m2)qrad,ti,织物和皮肤之间空气层的导热功率、或者叫热传导功率(W/m2)qcond,air,织物外表面的热辐射功率(W/m2)qrad,to,织物外表面环境的热对流功率(W/m2)qconv由以下公式计算:

qconv=h·(Tto-Tamb) (31)

其中,εamb为大气中红外平均发射率,取0.61,h是空气对流系数,这是一个与风速相关的量,值越大,风速越大。

其中,部分参数事先预定的,例如给定被制冷物体,即皮肤表面温度Tskin=34℃,环境温度Tamb=22℃,其余预定参数数值如表1所示。

表1

通过求解(17)-(19),我们就可以计算得到不同厚度下辐射制冷织物的净制冷功率qcool如图8所示。

图8中四条曲线对应的是四个热对流系数,也就是对应4个风速,即四个h值,虽然实际上一条曲线,即一个h值就足以判断最优的辐射制冷织物厚度在500μm左右,这里计算四条是为了考虑实际情况中,在不同风速环境下,500μm左右是不是始终是织物的最佳厚度条件。

还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

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