ms光热治疗仪(ms-f-1光热治疗仪)

成果简介

太阳能作为一种清洁、丰富的可再生能源，推动太阳能向各个行业的应用有利于向低碳经济的转型且有助于解决日益严重的能源短缺问题。光热材料通过光热效应将太阳能转换为热能，在寒冷条件下保持设备表面温度在冻结温度以上，融化/延缓设备表面霜/冰的形成，是一种利用太阳能进行除冰的新方法，有望解决户外设备表面积冰问题。碳基光热材料具有成本低、吸光范围广、光热转换效率高、材料来源丰富等优点，具有巨大的应用潜力。然而现有关于碳基材料的应用仅局限于其固有的黑色特性，如何通过表面形貌调控使其在有限空间内产生更多热量的相关研究并不充分。此外，实际工业应用对材料的机械耐久性和化学稳定性具有较高的要求，且表面通常会覆盖有冰层，因此现有单液滴的防/除冰实验并不能足以表征材料的防/除冰性能。

本文，重庆大学能源与动力工程学院工程热物理研究所王宏、陈蓉教授为论文的通讯作者，博士研究生谢震廷为论文的第一作者在《ChemicalEngineering Journal》期刊发表名为“Photothermaltrap with multi-scale micro-nano hierarchical structure enhances lightabsorption and promote photothermal anti-icing/deicing”的论文，研究利用模板-喷涂法制备出一种由基底、碳基光吸收层和封装层组成的光热防/除冰材料。由于光陷效应，多尺度微纳米复合层次结构可以在有限空间内强化材料的吸光率，200~2000 nm波长范围的平均光吸收率可达~98%，也通过光线追踪模拟和紫外-可见-近红外光吸收率测试结果对其进行验证。

在室温(Tr=25 ℃)/1个太阳(100 mW/cm2)光照条件下，表面平均温度可升高至~85 ℃，光热转换效率高达61%。优异的光热转换性能赋予材料光热除冰的性能，100 mW/cm2光照300 s后，表面覆盖的霜/冰层可融化并脱离壁面。此外，防结冰实验表明，制备的材料具有较低的冻结温度(-25.20±1.34℃)、较长的结冰延迟时间(774.76±114.19s)，也根据实验结果建立了结冰过程中的热力学分析模型。表面摩擦、水流冲击和溶液浸泡试验表明，制备的材料具有优良的机械耐久性和化学稳定性。本研究制备材料方法简单，机械耐久性强，光热防/除冰性能优异，在户外设备上具有巨大的应用潜力。

图文导读

图1. 碳基光热防/除冰材料的制备流程示意图.

图2. PS、MS、MNS、P@MNS样品的三维形貌图

图3. PS、MS、MNS、P@MNS样品的光吸收性能

图4. PS、MS、MNS、P@MNS样品的光热转换性能

图5. P@MNS和Al表面在阳光照射和无光照条件下的防结冰性能

图6. P@MNS、PDMS和Al表面在1个太阳光照条件下的除冰性能

图7. P@MNS样品的机械耐久性与化学稳定性测试

小结

本研究采用一种简单、成本低、易于控制的模板-喷涂法，成功制备了由基底层、光吸收层和封装层组成的光热防/除冰材料(P@MNS)。得益于多尺度微纳复合分层结构和多层结构的组合，制备的材料具有优异的性能。实验结果表明，材料具有优异的光热转换、防结冰及光热除冰性能，光热转换效率高达61%，也提出光热防/除冰材料在防/除冰过程中的热力学分析模型。利用光线追踪模拟软件和紫外-可见-近红外光吸收率测试结果明晰微纳结构强化光吸收的机理。摩擦、水流冲击和溶液浸泡试验也表明，该材料具有优异的机械耐久性和化学稳定性。该研究工作为设计高光热转换效率的防/除冰材料提供了新的见解。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135025