薄膜降温与控温

华中科技大学，徐长发 ，2018.1.20

一．物体是怎么散热的

大家都知道，一个温度较高的物体放在空气中会慢慢地散热，热是怎么散出去的？这需要物理知识来解释。

原来，热的传播形式有3种，热传导、热对流和热辐射。这里只介绍热辐射。

深入研究发现，任何温度高于绝对温度（-273℃）的物体都会连续地产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，热辐射无需介质，可以在真空中传播。物体温度低于300℃时，热辐射主要是长波，在不可见的红外区；当物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。热辐射是一种波，波就可以用频率表示；我们把热辐射的波按频率由低向高排序有：

...... 远红外波，红外波，赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫色波......

频率越低的，波长越长；频率越高的，波长越短。

每个物体都有热辐射，A的热辐射传给B，B的热辐射也传给A；如果接受到的热辐射多于散发出去的热辐射，物体就升温；如果散发出去的热辐射多于接受到的热辐射，物体就降温。

用热辐射可以分析白天和夜晚的温度变化原因。白天，地面及其附近空气吸收太阳的长、短波辐射而升温；夜间，地面及其附近空气会向外界辐射长波而降温。在多云的夜晚，这种长波辐射被云层吸收，云层又分别向上和向下发射长波辐射，向下的辐射部分返回地面对地面损失的热量进行补偿，这样就像给地面附近空气盖了一层被子，因而气温不会降得太厉害。晴朗的夜晚则少了这层“被子”，地面辐射出去的长波就很少有“返回”的，所以在晴朗的夜晚，气温会下降得多一些。同样地，沙漠夜晚的上空云层薄，保温能力差；在加上沙子（氧化硅）的热辐射能力强；所以沙漠夜晚温度还要更低些。

再看看地球和太空的热辐射关系。白天有太阳向地球热辐射（长波和短波的热辐射都有），热量输入大于热量输出，地球迎着太阳的区域会升温；夜晚，外太空温度低于-200℃，地球也向外太空热辐射，输出的热量大于输入的热量，地球背着太阳的一面会降温。

深入研究发现，云层和大气对长波有较好的吸收和辐射能力，但是，对于波长为8-14微米的红外线吸收和辐射能力差，换句话说，无论白天还是黑夜，这些红外辐射可以直接穿过大气层辐射到外太空去。

深入研究发现，人体的热辐射是“红外线”为主，地球上物体热辐射也是“红外线”为主的；于是人们发明了红外摄像仪器，就是捕捉接受由物体发出的红外线，再利用接受到的红外线成像。同样的，人体对红外、远红外的吸收能力也强，所以制造出红外、远红外理疗仪器，让人体局部受热，改善人体的局部微循环。

综合这些热辐射知识，我们会产生联想：对于常温下的物体，如果要让物体保护热量保持温度，那就应该设法包住物体发出的波长为8-13微米的红外线；如果要让物体冷却降温，就应该设法把物体发出的波长为8-13微米的红外线尽可能多地散发出去。

二．降温薄膜

降温是人们经常要考虑的问题，例如，夏天炎热，太阳辐射强，汽车放在外面就热得受不了；放在车棚里，放在车库里，虽然没有太阳辐射，但外界的温度高，也必需开空调制冷才行；夏天的室内温度也是太高，要空调制冷。

能不能不要空调制冷就能实现降温呢？

1.降温薄膜的原理

根据前面关于散热原理的联想，人们希望找到一种材料，既要把太阳的辐射尽可能多地反射回去，又要把自身的热量尽可能多地辐射出去，这样就可以达到降温的目的了。

于是有科学家发明了一种薄膜，用吸热的有机聚合材料做低层，用“蒸汽沉积法”镀了一层银，再用“沉积法”添加一些8微米直径的氧化硅玻璃纳米颗粒，再用透明的有机聚合物覆盖，做成薄膜。见下图。

这种散热薄膜的原理是这样的：镀银是为了尽可能地反射太阳光；8微米直径的玻璃纳米颗粒，正好能够有效地辐射8-13微米的红外波；这样，薄膜底层从物体中所吸收的热量就可以顺利地通过纳米玻璃球向外发射红外波，红外波发射得多，物体就达到降温的目的了。总体来说，这种降温薄膜，无需电力，无需制冷，就像一个阀门一样，热量出得去，却进不来，制冷有效。

2.降温测试效果

从测量效果看，在正午太阳直射的时候，用降温膜裹盖一个腔体，测得降温功率为93瓦每平方米，只用了这种薄膜，腔体内的温度就降了15-16度，效果非常好。

3.降温薄膜有什么用

最容易想到的是，做一个汽车防晒罩，夏天的防晒效果肯定好。

在炎热地区，降温是主题，这种降温薄膜一定有很多用武之地。

对于需要降温的密闭空间，例如机房、箱体内有机器运转需要降温，箱体内存放的物品为了防止高温需要降温，用这种降温薄膜裹住，效果肯定好。

4.优点和问题

优点：降温膜的制作难度不大，容易大规模生产，价格相对便宜，有一定的市场前景。

问题，使用范围还有一定的局限性。

三．控温布料

现在有科学家发明了一种布料，这种布料的里外两层是普通布料，之间夹有两层纳米材料，一层是辐射率超高的碳薄层（几个微米厚），另一层是辐射率超低的铜薄层（几个微米厚）。用这种布料做成衣服，会有控温的效果。

如果铜薄层在外，碳薄层在内，铜薄层对外的热辐射能力差，于是穿着这种衣服就保暖。

如果碳薄层在外，铜薄层在内，碳薄层对外的热辐射能力强，于是穿着这种衣服就降温。

四．粘贴薄膜的控温玻璃

降温薄膜和控温布料的原理是一样的:需要对物体降温时,就应该尽可能地由内向外多散发红外波；需要对问题保温时，就应该对外少散发但是对内少散发红外波。根据这种思路，人们也可以设计制作出粘贴薄膜的控温玻璃，并把它用于住宅。

作者设想，住宅的墙体采用隔热层防止内外的热交换；窗户框架做特殊设计，做成方便玻璃抽插更换的结构；钢化玻璃两面都贴上薄膜，一面贴着散发红外波很强的薄膜，另一面贴着散发红外波很弱的薄膜；当夏天室内需要降温时，就把散发红外波强的一面朝外，这样可把室内的一部分热量散发到室外去，实现无空调降温；冬天，室内需要保温，于是让散发红外波弱的一面朝外，散发红外波强的一面朝内，这样，向外散发红外波少，向室内散发红外波多，实现无空调取暖。当然，要实现室内控温，就要在方方面面都要注意，这里的设想只是涉及多吸热和多散热的问题。

作为文章结束，读者应该明白，无论是降温薄膜，还是控温布料、粘贴薄膜的控温玻璃，都是关于纳米材料结合热辐射需求方面的应用。

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