文 献 综 述

引言

能源消耗和气候变化是21世纪人类面临的两大重要问题。高度的能源消耗直接导致了温室气体的过度排放，这严重影响了气候平衡，并导致气候变暖和极端天气^[1,2]。因此，人们正在努力开发可再生能源，如太阳能、风能、海洋能、氢能源和碳中和燃料^[3-9]。另一方面，减少现今的能源消耗和提升能源效率也同样重要。在美国，与使用其他能源相比，通过使用节能设备和建筑设计来提高能源的使用效率是解决能源问题的最具效益的方式^[10]。

空间采暖和制冷是住宅和商业能耗的主要部分，占美国总能源消耗的12.3%。降低室内温度调节的需求会对全球能源使用造成实质的影响^[11-13]。虽然，传统的处理方式一直侧重于改善建筑保温和实现智能温度控制^[14-16]，而”个人热管理”的概念正在成为一个有希望的替代方案。个人热管理的目标只是为人体及其周围环境进行加热和制冷，而不是浪费过度的能量来加热或冷却整个建筑，这个处理方法应该会获得更高的能源效率^[17]。为了实现这一目标，更好的控制人体在室内环境的散热过程是非常必要的。在人体皮肤正常温度34℃时，人体散发出的中红外辐射的波长范围是7到14微米，在波长为9.5微米时出现散发峰值。在典型的室内场景中，红外辐射散热占人体总热量损失的50%以上^[18,19]。个人热管理的目标是在夏季增强辐射耗散，在冬季抑制辐射耗散。然而，传统纺织品不是为了红外辐射控制而设计的。我们展示了一种利用金属纳米线涂层织物，有希望实现在寒冷天气下没有能量输入的被动个人加热，这种纺织物反射了人体40%以上的红外辐射，从而加热人体^[20]。对于炎热天气下的个人降温，我们需要使纺织物对红外线是透明的，以实现人体辐射的充分散发^[21]。因为人的皮肤是一个很好的红外发射器（散发率=0.98）^[22]，红外透明织物将允许有更高的冷却设置温度，同时保持个人的舒适温度，增加1℃到4℃会节省7%到45%的能量^[23]。与佩尔蒂埃冷却或水/空气循环冷却不同，人体辐射冷却是被动的，不需要集成电子和电线^[24，25]。

本课题利用具有红外辐射性能的有机物与高发射率的无机材料复合，制备出具有辐射降温功能的涂层材料。

1红外辐射材料概述

红外辐射材料因具有通过辐射有效强化传热的特性被广泛应用于高温换热场合。本课题是通过高红外辐射性能的有机物材料对外界辐射降温来达到控制温度的效果。

任何温度高于绝对零度0K的物质都会不断的向外界辐射能量，同时也会吸收来自其他物质辐射出来的能量。在中高温阶段，热量的传递主要以辐射传热为主，且随着温度的升高，辐射传热所占的比例也在逐渐变大。使用透明的有机物可以达到较高的红外辐射透过率，从而使温度控制变得有效，而有机物又有较好的纺织性能，可以更好的运用在生物体上。

1.1红外辐射机理

红外辐射是物质内部的运动变化产生的，物质内部的电子、原子、分子都在不断地运动，有很多可能的运动状态。这些状态都是稳定的，各具有一定的能量。在正常情况下，物质总是处在能量最低的状态，称为基态。如果有外界的刺激或干扰，有一定的能量改变了物质内部运动粒子的运动状态，进入能量较高的状态，称为激发态。但是，这些粒子仅能在激发态停留较短的时间，很快就会恢复到低能量的状态，并把多余的能量释放出去。释放能量的方式有多种，最常见的就是发射电磁波，即辐射本身。因为不同的粒子释放的能量不同，所辐射出的电磁波波长就不同，根据辐射产生的机制不同，可以将红外辐射分为3个区域：（1）0.75~2.5微米波段称为近红外区；2.5~25微米波段称为中红外区；25~1000微米波段称为远红外区。一般来说，近红外区主要是电子能级之间的跃迁和分子振动产生；中红外区是分子转动能级和振动能级之间的跃迁产生；而远红外区是分子转动能级之间的跃迁产生^[26]。

近年来，随着红外辐射材料研究的不断深入，红外辐射机理的研究也有很大的进展。目前红外辐射机理主要集中于晶格振动理论、能带理论、等离子激元理论和涂层多孔化^[27]。