一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料及其制备方法

本发明属于辐射制冷陶瓷材料，具体涉及一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、辐射制冷技术可以在不消耗任何能源的情况下实现制冷效果，它通过强烈反射太阳光(0.28-2.5μm)并利用大气长波红外透射窗口(8-13μm)向寒冷的外太空辐射热实现自发冷却，为解决温室效应和能源危机提供了一种可持续的手段。与宽带辐射制冷材料相比，选择性辐射制冷材料通常在其余红外波段(2.5-8，13-25μm)具有低发射率，能有效避免非窗口波段的大气辐射以及来自地面和周围建筑物的辐射，能够实现更低的制冷温度和更好的全天候制冷效果。

2、文献报道的选择性辐射制冷材料主要有纳米纤维薄膜、光子多层膜和无机杂化结构三种，其中：

3、聚合物纳米纤维薄膜(kyuin park*kyuin parkdepartment of human centereddesign,college of human ecology,cornell university,ithaca,new york,unitedstates*email:emailprotectedmore by kyuin parkhttps://orcid.org/---,park k,emailprotected e,et al.designing an effective and scalable uv-protectivecooling textile with nanoporous fibers[j].[2024-01-02].)的光谱选择性(8–13μm波段发射率与2.5–25μm波段发射率的比值)虽高达1.67，但其在非大气窗口波段为高透射特性，无法有效反射周围环境的辐射，不适合建筑等实际场景的应用；

4、金属介电光子多层膜(raman,aaswath p,rephaeli,et al.passive radiativecooling below ambient air temperature under direct sunlight.[j].nature,2014.doi:10.1038/nature13883.)和无机杂化结构(lin y,qin c,fang l,et al.coloredpolymeric films with a bilayer porous design for efficient subambientradiative cooling[j].[2024-01-02].)通常需要金属反射层以实现太阳或红外波段的高反射效果，其通常由多层组合而成，结构和工艺较为复杂；

5、此外，金属介电光子多层膜和无机杂化结构的光谱选择性都比较有限(分别为1.48和1.46)，制冷潜力还有待进一步提高。

技术实现思路

1、针对现有技术中光谱选择性辐射制冷材料大都存在光谱选择性不够突出、结构和工艺复杂、且成本较高的问题，本发明提供了一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料及其制备方法，具体是一种梯度多孔氧化镁(mgo)陶瓷材料，并通过计算优化了陶瓷的孔隙尺寸和孔隙率等参数，最后采用无压烧结工艺完成了陶瓷的制备。本发明解决了现有光谱选择性辐射制冷材料选择性不突出、结构工艺复杂和成本较高的问题，推动了光谱选择性辐射制冷材料在建筑领域的实际应用。

2、本发明的工作原理如下：

3、梯度多孔mgo陶瓷表层结构致密，内部包含许多随机分布的空气孔隙，孔隙率从表面向内部呈梯度增加，并在一定深度后保持相对稳定。

4、在0.28-8μm波段，陶瓷由于内部的孔隙的强烈散射作用表现出的高反射现象；

5、在8-13μm波段，mgo陶瓷本征的多声子吸收效应提供了强烈的发射能力；

6、而在13-25μm波段，致密mgo陶瓷表面的剩余反射效应又使陶瓷再次表现出强烈的反射。

7、无压烧结过程中，由于陶瓷片表面和内部表面能的差异，收缩致密化后陶瓷内部比表面具有更多的孔隙，能够实现梯度多孔结构的制备。

8、本发明的结构设计过程如下：

9、1)利用mie散射理论计算了mgo介质中不同孔径孔隙的散射效率，随着孔径的增大孔隙的散射效率随孔径的增大而增强，当孔径增加到0.1μm时，能在整个0.28-8μm保持较强的散射效果；

10、2)结合chandrasekhar辐射传输理论，计算不同孔隙体积分数和孔径下陶瓷的光谱反射曲线，根据光谱曲线分别计算陶瓷在太阳波段的反射率rsolar和红外大气窗口波段的发射率elwir；在厚度一定时，陶瓷的rsolar和elwir对于孔隙尺寸和孔隙率变换呈相反的相应趋势，当孔径位于0.1-1μm且孔隙率为5％-15％时，可以获得太阳反射和红外窗口辐射均比较强的陶瓷结构；

11、3)对于陶瓷在剩余反射带位置的光谱，由于前期计算的孔隙尺寸(0.1-1μm)较参考波长较小，因此忽略孔径的影响，采用等效介质理论(emt)对其近似计算；随着孔隙体积分数的增加，陶瓷的剩余反射带强度从13μm处开始逐渐降低；此外，对于致密mgo结构，13-25μm波段红外辐射的最大穿透深度不超过20μm。

12、为获得最好的光谱选择特性，通过计算结果表明：

13、当梯度多孔陶瓷材料具有至少20μm深的致密表面，同时内部含有孔径分布在0.1-1μm的孔隙率为5％-15％的空气孔隙时，能够在保持太阳高反射和红外大气窗口高发射的前提下，获得最好的光谱选择特性。

14、本发明的目的通过以下技术方案实现：

15、一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

16、1)研磨：称取轻质mgo放入研钵中研磨，确保没有结块，然后将研磨后的粉体倒入模具中振实，确保粉体表面相对平整；

17、2)压片：将上步骤的模具放入压片机中，施加压力为60-80mpa并保压1-3min，而后脱模获得mgo生胚；

18、3)烧结：将上步骤得到的mgo生胚放入马弗炉中进行无压烧结，首先以10℃/min的速率升温至150℃，保温20-30min去除水分，然后以10℃/min的速率升温至800℃，进行预烧20-30min，最后以5℃/min的速率升温至1500℃，保温30-60min进行致密化烧结，得到具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料，是一种梯度多孔mgo陶瓷材料，所述的梯度多孔陶瓷材料具有至少20μm深的致密表面，内部含有孔径分布在0.1-1μm的孔隙率为5％-15％的空气孔隙，具有0.90以上的太阳反射率和红外窗口发射率，同时光谱选择性达1.65以上，平均接触角为43°。

19、本发明中：

20、进一步的，步骤1)所述的称取，是采用天平。

21、进一步的，步骤1)所述的轻质mgo为分析纯(ar)，纯度≥98.5％。

22、进一步的，步骤1)所述的将研磨后的粉体倒入模具中振实，其中的模具的直径为40mm，粉体的质量为6-10g。

23、本发明还涉及上述一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料的制备方法得到的一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料，是一种梯度多孔mgo陶瓷材料，所述的梯度多孔陶瓷材料具有至少20μm深的致密表面，内部含有孔径分布在0.1-1μm的孔隙率为5％-15％的空气孔隙，具有0.90以上的太阳反射率和红外窗口发射率，同时光谱选择性达1.65以上，平均接触角为43°，是目前综合光谱性能最好的光谱选择性辐射制冷材料，具有最强的制冷潜力。

24、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、1、本发明所述的一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料，是利用无压烧结工艺制备出的一种梯度多孔mgo陶瓷，其材料结构简单，工艺简便，极大的降低了光谱选择性辐射材料的成本，推动了光谱选择性辐射制冷材料在建筑领域的实际应用。

26、2、本发明所述的一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料，制备得到的梯度多孔mgo陶瓷具有0.90以上的太阳反射率和红外窗口发射率，同时光谱选择性高达1.65，是目前综合光谱性能最好的光谱选择性辐射制冷材料，具有最强的制冷潜力。

27、3、本发明所述的一种具有光谱选择性的辐射制冷陶瓷材料，制备得到的梯度多孔mgo陶瓷为全无机结构，具有较强的耐候性，能够长期保持稳定的光谱性能，同时，良好的亲水性使得陶瓷较强的自清洁能力，极大的降低了陶瓷在使用过程中的维护成本，在建筑领域具有广泛的应用前景。