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【新材料】可穿戴降温设备新进展,科学家研制“纳米森林”来降温!
金陵 2016-05-09
导语

冲进火灾现场的消防员们,在室外竞技场挥洒汗水的运动员们,该如何“武装”自己,让自身保持凉爽呢?也许一款便携的冷却装备就够了,

在现代社会,冷却普遍存在,全球能源消耗的大部分被用来冷却。受收入增长和气候变化的影响,据估计,空调制冷的能源需求将在21世纪迅速增加,从接近2000年300亿千瓦增加到2050年的4000亿千瓦,到2100年将需要超过10000亿千瓦。

相比于空间冷却,直接作用于人体的小气候技术冷却,即所谓的个人冷却被认为是更加节能。个人冷却系统也可用于在极端环境下工作人员的保护,诸如消防员,宇航员,军人和高温厂房中的工人等等。此外,个人冷却系统也可以应用于医疗领域,比如患有多发性硬化的患者,发热过高,导致损害身体的能力等障碍。

然而,现有的个人冷却技术还远远没有得到广泛的应用,这很大程度上归因于他们的各种缺点,包括有限的散热能力,低效率,高成本和笨拙的配置。例如,目前将冰或其它相变材料如冷冻凝胶和盐等掺入背心和其他服装是最简单和可靠的方法,但这些服装并不能提供持续的冷却。使用通风空气和循环液体作为冷却剂的主动冷却技术通常被认为是目前最有效的个人的冷却方法。然而,它们通常很重,需要大功率,而且移动性欠佳

近日,宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学院Qing Wang教授团队最新研发的新型纳米线阵列,将提供一款便携的个人冷却技术装备。相关研究成果发表在Advanced Materials期刊上。

电热材料具有电热效应,即通过外加电场改变温度以冷却晶体。以前的研究大多采用单晶、块体陶瓷或薄膜陶瓷等作为冷却材料,但这些材料脆而硬,加工性能较差。铁电聚合物同样可用于冷却,但其产生制冷效果的电场强度超过了人类所承受的安全极限。

“大多数的电热陶瓷材料含有铅元素,而我们避免使用铅,”Wang教授表示,“传统的冷却系统使用的冷却剂对环境有害,我们用于冷却的纳米线阵列不会带来环境问题。”

Wang的研究团队正致力于制备一种高柔韧、环保并且具有对人体安全的制冷电场范围的纳米线材料。他们将此材料的制作分为两部分。首先,将TiO2纳米线沉积于掺杂氟的氧化锡镀膜玻璃上,利用模板使所有纳米线以相同的高度垂直于玻璃表面生长。然后,将钡离子和锶离子注入TiO2纳米线中。此外,银纳米片被用作电极。

垂直排列的铁电钛酸锶钡纳米线阵列可以用36伏电压使温度降低约15℃,而尺寸与IPad相仿的500克蓄电池可以带来约2小时的电量供应。制备的纳米森林可以从玻璃基板上转移到任何其它的基板表面,各类服装面料也不例外。Wang表示,“低电压正好与人体的适度运动相匹配,所需要做的是设计出适合于人体的冷却系统。”

这种材料也许某天会被并入消防装备、运动员服装或其它可穿戴设备中,甚至作为行业标准材料被推广使用,因为它重量轻、柔性大,而且无再生冷却液所导致的臭氧损耗。

文章链接:

Guangzu Zhang, Xiaoshan Zhang, Houbing Huang, Jianjun Wang, Qi Li, Long-Qing Chen, Qing Wang, "Toward Wearable Cooling Devices: Highly Flexible Electrocaloric Ba0.67Sr0.33TiO3 Nanowire Arrays," 27 April 2016, DOI: 10.1002/adma.201506118

(本文部分内容来源:材料牛网站)

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  • 纳米阵列
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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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