BVG：高能效辐射热管理的优异红外辐射材料

     2022-12-21 次浏览

辐射热管理在各个领域都引起了极大的关注，包括辐射供暖、个人或建筑物辐射制冷、热能收集等。红外辐射可以通过非接触方式的自发辐射传热来调节目标物体的温度，表现出节能减排的优势。特别是，辐射加热广泛用于诸如食品制造、涂层固化和癌症治疗的应用中。当前，辐射热管理因其节能减排的优势日益受到关注。红外辐射涂层被广泛用于缓解常用金属合金电热材料红外发射率低的问题。然而，传统的红外辐射涂层面临着波段发射率不稳定、与基体的界面结合力低、长期热稳定性差等问题。

来自北京大学的学者提出了生长在镍铬合金(Ni–Cr)线上的灌木状垂直石墨烯(BVG)的工艺,依靠该石墨烯，BVG/Ni–Cr线在宽波长范围(2.5–18 um)内呈现出约0.96的超高黑体发射率。当用于辐射传热时，BVG/Ni–Cr丝实现了高的热辐射效率，与裸Ni–Cr丝相比提高了一个数量级，并且具有优异的变形和热稳定性。这些发现揭示了BVG作为高能效辐射热管理的优异红外辐射材料的令人印象深刻的潜力。相关文章以“Bush-Shaped Vertical Graphene/Nichrome Wire for Blackbody-Like Radiative Heating”标题发表在Advanced Functional Materials。

图1.用PECVD法在镍铬线上生长BVG。a)镍铬线上的BVG生长示意图。b)裸镍铬线(左)和BVG/镍铬线(右)的照片。c)BVG层的横截面SEM图像(生长时间:8小时)。d)对应于(c)中的样品和标记线的高度轮廓的BVG的AFM图像。e)BVG层的厚度与生长时间的关系。f)具有不同生长时间的BVG的拉曼光谱。

图2.BVG/镍铬导线的红外发射特性。a） 红外发射率测量的实验设置。b） 不同层厚度的裸镍铬线、HG/镍铬线和BVG/镍铬线的红外发射率。c）（b） 中相应样品的吸收光谱。蓝色背景表示理想黑体的光谱发射率。d） 描述BVG优异的红外吸收/发射特性的示意图。e） 本研究计算的裸镍-铬、HG/镍-铬与十层石墨烯、VG-90°/镍-铬和 BVG （7.4 μm）/镍-铬的吸收光谱。f-h） 计算的 f） HG/Ni–Cr、g）VG-90°/Ni–Cr 和 h） BVG （7.4 μm）/Ni–Cr 的横截面电场分布。

图3.红外电热材料的辐射加热性能。a） 使用输入功率测量表观温度的实验设置。b） 在恒定功率为 0.9 W 的恒定功率下，具有不同层厚度的裸镍铬线、HG/镍铬线和 BVG/镍铬线的线中心表观温度与时间的关系。c） （b） 中相应样品的红外相机图像。d） 不同恒定功率下的统计表观温度。e） 在 0.1 至 0.9 W 的阶跃功率下表观温度与时间的关系。f） 不同层厚度的裸镍铬线、HG/镍铬线和 BVG/镍铬线在 373 K 和473 K 时的热辐射效率。

图4.BVG/镍铬加热器的变形和热稳定性。a） 弯曲循环期间BVG/镍铬和TMO/镍铬线材中心的表观温度变化。b，c） BVG/Ni–Cr 线中心的 OM 图像：b） 100 次弯曲循环之前和 c） 100 次弯曲循环之后。d，e） TMO/Ni–Cr 线中心的 OM 图像：d）在 100 次弯曲循环之前和 e） 在 100 次弯曲循环之后。f）辐射加热操作期间BVG/Ni–Cr和TMO/Ni–Cr线中心的表观温度变化。g，h）BVG g）操作前和h）操作1小时后的SEM图像。i，j）TMO i）操作前和j）操作1小时后的SEM图像。

总之，本研究用直接生长的BVG层策略展示了一种用于增强传统金属合金电热丝的红外辐射的创造性和简易的方法。由于石墨烯层独特的灌木状结构，入射的红外光可以被很好地捕获，然后发生多次内反射和强吸收。因此，BVG/镍铬合金线在2.5-18 um的宽波长范围内表现出高且稳定的发射/吸收，其行为类似于理想黑体。当用于辐射加热时，BVG/镍铬合金丝比裸镍铬合金丝和HG/镍铬合金丝的热辐射效率显著提高。此外，BVG层与镍铬基体之间的强结合以及高温下的结构稳定性赋予了BVG/镍铬加热器良好的变形和热稳定性。坚固的BVG涂层将为提高金属合金的红外辐射性能提供新的机会，从而实现高能效的辐射热管理策略。（文：SSC）

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论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202208785