一种具有结构色的辐射制冷复合柔性膜

技术领域

本发明涉及结构色辐射制冷技术领域，尤其涉及一种具有结构色的辐射制冷复合柔性膜。

背景技术

由于人类文明的进步和现代经济社会的快速发展，人类对于能源的消耗量和需求量日益加重，全球已经陷入能源危机。而与此同时，由于二氧化碳等温室气体的过量排放导致的温室效应等气候问题的日益加剧，人类对于制冷的需求量也在同步上升。而例如空调、水冷等主动式制冷设备在转移热量的过程中同时消耗了能源且释放出一定热量，这就陷入了一个能耗和制冷的死循环。所以，急需一种新型的无耗能的制冷方式来解决这一问题。

辐射制冷是一种通过在物体表面覆盖通过大气窗口(3～5um和8～13um)的红外波段高发射率结构，实现物体与低温宇宙空间及外界环境的辐射传热，从而对物体进行降温的被动式制冷技术。辐射制冷作为一种无源、有效、可再生的降低制冷能耗的方式，在节能应用领域引起了广泛关注。但早期的辐射制冷只能用于夜间，原因是太阳能制热功率很容易补偿白天的制冷功率，直到最近十年，由于热光子设计和微纳结构加工技术的进步，日间辐射制冷技术才取得重大突破。相关方向的科研人员提出了许多用于白天辐射冷却的方法，包括光子设计、基于粒子的矩阵、复合材料、纺织品等。而通常这些用以辐射制冷的结构、薄膜或涂层则安装在物体外部，来实现更好的辐射传热和更高的制冷效率。然而，日间的辐射制冷器为了尽可能减小太阳光波段(0.3-2.5μm)制热功率总是以白色或银色出现。但应用在建筑、衣物等领域，出于美观的原因，并不能只单调地存在一种白色，所以有色辐射制冷的需求更大，应用更广泛。

为了实现有色辐射制冷，近年来研究人员基本提出了两种解决方案。第一种是用染料渲染，即将吸收性染料直接结合到传统辐射冷却器的表面。虽然这可以应用于建筑涂料和织物等柔性材料，但额外附加的这层染料不仅会吸收可见波段因彩色显示产生的辐射能量，还会吸收部分红外波段的辐射能量，这将大大削弱制冷性能。第二种是利用结构色来实现，即通过结构设计改变传统制冷器在可见光波段对应颜色波长的反射率。与染料渲染相比，利用结构色可以避免在红外波段吸收额外的能量，从而实现更好的冷却性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的结构色辐射制冷技术只是解决了在红外波段的吸收，但是为了获得需要的颜色，在可见光波段仍有部分吸收，在强烈的太阳光辐照下仍然会有不小的吸热，这对辐射制冷的效率依然存在不可忽视的影响。

为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：

一种具有结构色的辐射制冷复合柔性膜，由上到下的结构依次为：结构色多层膜、基底层以及反射层；

所述结构色多层膜对预设颜色的光波段具有0.8以上的透射率，除预对设颜色的光波段具有0.94以上的反射率；

所述基底层对可见光波段无吸收，且在大气窗口波段能辐射制冷；

所述基底层与反射层相贴的一面为磨砂面；磨砂面散射的光线角度至少可以达到入射光线的±60°；

所述反射层在可见光及红外光波段均具有0.94以上的反射率。

可以理解的，所述基底层作为结构色多层膜的基底，要求其在可见光波段不会引起吸收且可以在大气窗口波段可以起到辐射制冷的作用，同时也需要一定的柔韧性来保证整体结构的柔性，因此，最佳的基底层为可见光波段透明的柔性材质。

进一步的，所述基底层的材质选自具有高折射率的高分子聚合物薄膜，如PMMA、PDMS、PVC和/或PP。

本发明中，磨砂面起到漫散射射入光线的作用，散射的光线角度至少可以达到在正入射光线的±60°。所述磨砂面的磨砂程度为100-500目，200-400目较佳。本发明一实施例采用了实际效果较好的W40(320目)磨砂程度。

进一步的，所述的反射层起到反射射入结构色多层膜可见光的作用，要求为在可见-红外波段都有一个较好的反射率，为了保证反射率，所述反射层的厚度为30-200nm。

进一步的，所述反射层的材质选自Ag、Al。

本发明中，所述的结构色多层膜起到区分不同颜色光的作用，所述预设颜色即为复合柔性膜所呈现的颜色，即要求结构色多层膜在所需颜色的波段(本发明一实施例以蓝色波段作说明，400nm-550nm)有接近于1.0的透射率，最低处也要求在0.6以上，这可以使获得颜色具有高饱和度；同时要求在其他颜色的波段有接近于1.0的反射率，以保证所获得颜色的色相纯度；而对于除可见光的其他波段则不做要求。

进一步的，所述结构色多层膜采用两种或两种以上不同折射率的电介质材料相间构成一维光子晶体的结构。

进一步的，所述电介质材料选自TiO

进一步的，所述预设颜色的光波段在可见光波段范围内。

进一步的，所述基底层的厚度为50-200um，以80-150um较佳。

与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：

本发明提供的具有结构色的辐射制冷复合柔性膜，通过结构的设计达到了既能呈现所需颜色，又能在可见光波段无吸收的效果，提高了辐射制冷的效率。本发明解决了常规辐射制冷器的颜色单一的问题，同时也通过对不同波长的可见光透射或反射而不是选择吸收来实现结构色，解决了目前结构色辐射制冷器在可见光波段的吸收太阳能问题，实现了在太阳能波段完全无吸收的有色辐射制冷，同时由于其采用了柔性的基片，而且其他部分也没有刚性结构，故可应用于更多的实际场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的具有结构色的辐射制冷复合柔性膜的原理图；

图2为本发明一实施例提供的具有结构色的辐射制冷复合柔性膜的反射、透射及吸收率谱图；

图3为本发明一实施例提供的具有蓝色结构色的辐射制冷复合柔性膜的可见光波段角分辨光谱仪测试图谱；

图4为本发明一实施例提供的具有蓝色结构色的辐射制冷复合柔性膜和建筑涂料及传统辐射制冷结构的对比日照实验结果；

图5为拍摄本发明一实施例提供的具有蓝色结构色的辐射制冷复合柔性膜不同角度的图像颜色在色度图中的色坐标。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种具有结构色的辐射制冷复合柔性膜，由上到下的结构依次为：结构色多层膜、基底层以及反射层。所述结构色多层膜对预设颜色的光波段具有0.8以上的透射率，除预对设颜色的光波段具有0.94以上的反射率；所述基底层对可见光波段无吸收，且在大气窗口波段能辐射制冷；所述基底层与反射层相贴的一面为磨砂面；磨砂面散射的光线角度至少可以达到入射光线的±60°；所述反射层在可见光及红外光波段均具有0.94以上的反射率。

可以理解的，本发明中，反射层的反射率最好越接近1.0，越能实现完全的反射，对光无吸收的效果。

本实施例以结构色多层膜的预设颜色为蓝色进行说明。如图1，当太阳光光线(见图中0)通过多层膜时，其中蓝色光发生相干透射(见图中2)，其余部分光呈现出黄色光则由镜面直接反射(见图中1)；而射入的蓝光并不会被吸收，而是经过磨砂面的散射作用和反射层的反射作用，返回外界以达到漫反射的效果(见图中4)；这一过程中，光线0最终实现全部反射(见图中3)，即没有在结构中产生任何吸收。并且通过一系列透射反射作用将白光光线分散成不同颜色的光并借由漫反射的效果呈现出来结构色彩。

可以理解的，所述基底层作为结构色多层膜的基底，要求其在可见光波段不会引起吸收且可以在大气窗口波段可以起到辐射制冷的作用，同时也需要一定的柔韧性来保证整体结构的柔性，因此，最佳的基底层为可见光波段透明的柔性材质。

本实施例中，所述基底层的材质选自透明的具有高折射率且有良好柔性的高分子聚合物薄膜PDMS。

本实施例中，磨砂面起到漫散射射入光线的作用，散射的光线角度至少可以达到在正入射光线的±60°。所述磨砂面的磨砂程度为100-500目，200-400目较佳。本实施例采用了实际效果较好的W40(320目)磨砂程度。

本实施例中，所述的反射层起到反射射入结构色多层膜可见光的作用，要求为在可见-红外波段都有一个较好的反射率，为了保证反射率，所述反射层的厚度为100nm。所述反射层的材质选自Ag。

本发明中，所述的结构色多层膜起到区分不同颜色光的作用，所述预设颜色即为复合柔性膜所呈现的颜色，即要求结构色多层膜在所需颜色的波段(本实施例以蓝色波段作说明，400nm-550nm)有接近于1.0的透射率，最低处也要求在0.8以上，这可以使获得颜色具有高饱和度；同时要求在其他颜色的波段有接近于1.0的反射率，以保证所获得颜色的色相纯度；而对于除可见光的其他波段则不做要求。

进一步参见图2，本实施例的结构色多层膜的结构为11层交叠的TiO

68nm,96nm,64nm,88nm,56nm,103nm,57nm,93nm,61nm,109nm及59nm。

根据图2可知，本实施例中，复合柔性膜在400-550nm的高透射率使得白光中蓝色部分的光透过而将其他部分的光反射，这就是导致其在光线主级发生蓝色光的透射及黄色光的反射的原因，对比标准的蓝色光谱也可看出其能呈现出一种高饱和度蓝色的原因。其中，复合柔性膜的吸收率近乎为0，不会产生任何热量的吸收。

需要说明的是，本发明只是着重以设计出的蓝色多层膜进行说明，其他颜色光通过调整多层膜使用的材料、层数及厚度也均可实现。

为了保证辐射制冷复合柔性膜的柔性，基底层不宜太厚，以50-200um为宜，以80-150um为较佳，本实施例的基底层厚度为100um。

结构色多层膜可采用现有的工艺逐层镀制到基底层上，本发明对此不做限制。

进一步参见图3，本实施例的复合柔性膜在±60°之间都能观察到较高饱和度的蓝色，能够符合实际使用场景的大多数要求。

图4是本实施例所述的复合柔性膜和建筑涂料及传统辐射制冷结构的对比日照实验。其中，记录的当日时间约为上午九点至下午四点，并附上当日的太阳能辐射功率曲线。其中，多层膜辐射制冷复合结构与建筑涂料的最大温差能达25℃，且比空气温度低3℃左右，图4的结果表明本发明提供的具有结构色的辐射制冷复合柔性膜具有不吸收热量的性能和较高的制冷效率；并且相较传统的利用高分子聚合物PDMS的辐射制冷结构，本发明提供的具有结构色的辐射制冷复合柔性膜能够表现出较为高饱和度的颜色，可应用于更多的实际场景。

图5是拍摄的本实施例具有蓝色结构色的辐射制冷复合柔性膜不同角度的图像颜色在色度图中的色坐标。其中，随着观察角度的不断增大，所述的复合柔性膜呈现出由蓝色向紫色的偏差，这是结构色的相较于常规色素色的缺点。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。