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南京航空航天大学材料科学与技术学院--实现宽带微波屏蔽、热管理和智能窗户在节能建筑中的应用
       随着生活水平的提高和全球人口的增加,建筑物的能源需求将持续增长。在发达国家,建筑物的能源消耗占总能源消耗的30%至40%,超过了交通和工业的能源消耗。为了满足全球能源需求的增长和提供舒适的居住环境,现代节能建筑主要通过消除电磁(EM)干扰和污染、控制热传递以及促进阳光的采集来实现。具体来说,主要通过使用微波屏蔽材料、进行热管理以及安装智能窗户来实现这些目标。本文综述了节能建筑领域在宽带屏蔽、热管理和智能窗户方面的最新进展,从材料、机制和场景等方面进行了系统总结。此外,还讨论了存在的主要瓶颈和问题,并进一步突出了潜在的研究机会。
  
图1. 高效节能建筑中的电磁波屏蔽、热管理和智能窗户及其应用场景。
解析
这段文字是图1的标题,它概括了图中展示的主要内容,即高效节能建筑中涉及的三个关键技术领域:电磁波屏蔽、热管理和智能窗户,以及这些技术在不同应用场景中的体现。
1、电磁波屏蔽(Electromagnetic Wave Shielding):
*定义:电磁波屏蔽是指通过特定材料或结构来阻挡或减弱电磁波的传播,从而保护建筑内部免受外部电磁干扰的影响。
*应用场景:在高效节能建筑中,电磁波屏蔽技术可以应用于墙体、窗户、屋顶等部位,以减少来自外部无线电波、微波等电磁辐射的干扰,保障建筑内部电子设备的正常运行和居住者的健康。
2、热管理(Thermal Management):
*定义:热管理是指通过合理设计和使用建筑材料及系统,实现对建筑内部温度的有效控制,包括保温、隔热、散热和温度调节等功能。
*应用场景:在高效节能建筑中,热管理技术至关重要。通过采用高效的保温材料、隔热玻璃、相变材料等,可以减少建筑在冬季的热量损失和夏季的热量吸收,从而降低能耗,提高居住舒适度。同时,智能温控系统的应用也能根据室内外环境变化自动调节室内温度,实现能源的优化利用。
3、智能窗户(Smart Window):
*定义:智能窗户是指能够根据外界环境变化(如光照强度、温度等)自动调节其光学性能(如透光率、颜色等)的窗户。
*应用场景:在高效节能建筑中,智能窗户通过集成光敏、温敏等传感器和执行机构,能够实时感知外界环境变化并自动调节窗户的透光性和隔热性。例如,在阳光强烈时自动降低透光率以减少室内热量吸收,在寒冷天气时提高透光率以增加室内热量输入。这种智能调节功能有助于减少建筑对人工照明和空调系统的依赖,从而降低能耗并提高居住舒适度。
综合解析
图1通过直观的图形展示,将电磁波屏蔽、热管理和智能窗户这三个关键技术领域及其在高效节能建筑中的应用场景紧密联系在一起。这三个领域相互关联、相互促进,共同构成了高效节能建筑的重要组成部分。电磁波屏蔽技术保障了建筑内部的电磁环境安全;热管理技术实现了建筑内部温度的有效控制;智能窗户技术则通过智能调节窗户的光学性能来优化室内光照和温度条件。这些技术的综合应用有助于降低建筑能耗、提高居住舒适度并推动建筑行业的可持续发展。
  
图2. a) 电磁波(EMW)在电磁干扰(EMI)屏蔽材料中的传播模型。b) 分支-主干互锁结构的示意图。c) 碳纤维@聚苯胺/银纳米线复合材料的方块电阻、相应电导率以及d) 电磁干扰屏蔽性能。[26] e) 负载PEDOT:PSS的蜜胺泡沫的电磁波吸收机制示意图。[30]
解析
图2. a) 电磁波在电磁干扰屏蔽材料中的传播模型
解析:
这部分描述了电磁波(EMW)在电磁干扰(EMI)屏蔽材料中的传播方式。电磁波遇到屏蔽材料时,会发生反射、吸收和多次反射等现象,从而减少或阻止电磁波的进一步传播。这是电磁屏蔽材料设计和优化的基础。
图2. b) 分支-主干互锁结构的示意图
解析:
这部分展示了一种分支-主干互锁的结构示意图。这种结构通常用于增强复合材料的机械性能和电磁屏蔽性能。分支结构可以增加电磁波在材料内部的传播路径,从而增加吸收和多次反射的机会,提高屏蔽效果。同时,互锁结构可以增强材料的机械强度。
图2. c) 碳纤维@聚苯胺/银纳米线复合材料的方块电阻、相应电导率
解析:
这部分提供了碳纤维@聚苯胺/银纳米线复合材料的方块电阻和电导率数据。方块电阻是材料表面电阻的度量,而电导率则是材料导电能力的度量。通过添加银纳米线,可以显著提高复合材料的电导率,从而降低方块电阻。这对于提高电磁屏蔽材料的性能至关重要,因为高电导率有助于增强电磁波的反射和吸收。
图2. d) 电磁干扰屏蔽性能
解析:
这部分展示了碳纤维@聚苯胺/银纳米线复合材料的电磁干扰屏蔽性能。屏蔽性能通常通过屏蔽效能(SE)来衡量,它表示材料对电磁波的衰减能力。通过优化材料的组成和结构,可以实现高效的电磁屏蔽,这对于保护电子设备免受电磁干扰至关重要。
图2. e) 负载PEDOT:PSS的蜜胺泡沫的电磁波吸收机制示意图
解析:
这部分展示了负载PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))的蜜胺泡沫的电磁波吸收机制。PEDOT:PSS是一种导电聚合物,具有良好的电导率和电磁波吸收性能。当它与蜜胺泡沫结合时,可以形成多孔结构,增加电磁波在材料内部的传播路径和吸收机会。这种结构有助于将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量,从而实现高效的电磁波吸收。这对于减少电磁污染和保护环境具有重要意义。
 
 图3. a) 展示了用于挤出打印的MXene功能化PEDOT:PSS墨水的制备示意图。b) 原始PEDOT:PSS墨水和MXene功能化PEDOT:PSS墨水的照片。c) 打印结构的照片(a-c)。[39] d) 通过扫描离心铸造法合成过程的示意图。e) 石墨烯薄膜在10 GHz频率下电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)随厚度的变化。f) 石墨烯薄膜的数码照片(d-f)。[40] g) PVA/PEDOT:PSS/Ag NWs薄膜的制备示意图。[43]
解析
这段文字描述了图3中的几个关键部分,每个部分都与制备具有特定功能(如电磁干扰屏蔽、热管理和智能窗户)的材料相关。以下是对每个部分的详细解析:
a) 展示了用于挤出打印的MXene功能化PEDOT:PSS墨水的制备示意图:
这部分展示了一个示意图,描述了如何通过MXene功能化PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸))来制备适合挤出打印的墨水。MXene是一种二维过渡金属碳化物或氮化物,具有良好的导电性和机械性能,与PEDOT:PSS结合可以增强墨水的功能性和打印性能。
b) 原始PEDOT:PSS墨水和MXene功能化PEDOT:PSS墨水的照片:
这部分提供了两种墨水的实物照片:一种是未功能化的原始PEDOT:PSS墨水,另一种是MXene功能化后的PEDOT:PSS墨水。通过对比照片,可以直观地看到两种墨水在外观上的差异,可能包括颜色、粘度等方面的变化。
c) 打印结构的照片(a-c):
这部分展示了使用上述墨水通过挤出打印技术制备的结构的照片。这些结构可能是具有特定形状和尺寸的薄膜、网格或其他复杂图案,用于评估墨水的打印性能和最终产品的性能。
d) 通过扫描离心铸造法合成过程的示意图:
这部分描述了一个通过扫描离心铸造法合成材料的示意图。扫描离心铸造是一种先进的材料制备技术,通过离心力和扫描控制来精确控制材料的沉积和结晶过程,从而制备出具有优异性能的材料。
e) 石墨烯薄膜在10 GHz频率下电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)随厚度的变化:
这部分展示了石墨烯薄膜在不同厚度下的电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)数据,特别是在10 GHz频率下的表现。EMI SE是衡量材料对电磁波屏蔽能力的重要指标,对于开发高效的电磁屏蔽材料至关重要。
f) 石墨烯薄膜的数码照片(d-f):
这部分提供了石墨烯薄膜的数码照片,可能是为了展示薄膜的外观、均匀性或其他物理特性。这些照片有助于评估石墨烯薄膜的制备质量和潜在应用。
g) PVA/PEDOT:PSS/Ag NWs薄膜的制备示意图:
这部分展示了一个示意图,描述了如何通过结合聚乙烯醇(PVA)、PEDOT:PSS和银纳米线(Ag NWs)来制备复合薄膜。这种复合薄膜可能结合了PVA的柔韧性、PEDOT:PSS的导电性和Ag NWs的高导电性,从而具有优异的电学和机械性能,适用于多种应用场景。
  
图4. a) 纤维素纳米纤维及纤维素纳米纤维包裹绿色聚苯胺(PANI)球的制备示意图。b) 纤维素纳米纤维包裹PANI的电磁干扰(EMI)屏蔽效能(a, b)。[44] c) 天然电磁干扰屏蔽区域的示意图。d) 不同导电层碳/聚氨酯的EMI屏蔽效能。f) CP、NG/CP、Fe3O4-NG/CP、PEDOT:PSS/Fe3O4-NG/CP的示意图模型及放大后的扫描电子显微镜(SEM)图像(c–f)。[47] g) 碳纤维(CF)和二硫化钨修饰碳纤维(WS2-CF)的光学图像及模型示意图。[48] h) CF@AgNPs电磁干扰屏蔽机制的示意图。[49] i) 三维液态金属复合材料的示意图。j) 在2.65–5.95 GHz和8.2–40 GHz频率范围内,复合材料的平均EMI屏蔽效能与应变的关系。k) 在0%、100%、200%和400%应变下,通过微X射线断层扫描重建的三维形态(i–k)。[50]
解析
这段文字和对应的图4主要描述了关于电磁干扰(EMI)屏蔽材料的制备、性能及其机制的研究内容,具体解析如下:
图4a和b:
内容:展示了纤维素纳米纤维及其包裹绿色聚苯胺(PANI)球的制备过程示意图,以及这种复合材料的EMI屏蔽效能。
解析:这部分说明了通过纤维素纳米纤维包裹PANI球可以制备出具有EMI屏蔽效能的复合材料,这种材料可能结合了纤维素的机械性能和PANI的导电性,从而实现有效的电磁屏蔽。
图4c:
内容:天然电磁干扰屏蔽区域的示意图。
解析:这部分可能展示了自然界中某些材料或结构本身就具有电磁屏蔽的特性,例如某些植物的叶子或动物的皮肤等,这些天然材料可能通过其独特的微观结构或化学成分来实现电磁屏蔽。
图4d:
内容:不同导电层碳/聚氨酯复合材料的EMI屏蔽效能。
解析:这部分研究了在碳/聚氨酯复合材料中引入不同导电层对EMI屏蔽效能的影响,表明通过调整导电层的种类和厚度,可以优化复合材料的电磁屏蔽性能。
图4f:
内容:展示了CP、NG/CP、Fe3O4-NG/CP、PEDOT:PSS/Fe3O4-NG/CP等复合材料的示意图模型及放大后的SEM图像。
解析:这部分详细展示了这些复合材料的微观结构和形貌,通过SEM图像可以观察到材料的纳米级结构和界面情况,这对于理解材料的电磁屏蔽机制至关重要。
图4g:
内容:碳纤维(CF)和二硫化钨修饰碳纤维(WS2-CF)的光学图像及模型示意图。
解析:这部分对比了普通碳纤维和经过二硫化钨修饰后的碳纤维的外观和结构,表明通过表面修饰可以改变碳纤维的表面性质和微观结构,从而影响其电磁屏蔽性能。
图4h:
内容:CF@AgNPs电磁干扰屏蔽机制的示意图。
解析:这部分解释了CF@AgNPs复合材料如何通过银纳米粒子(AgNPs)的引入来增强碳纤维的电磁屏蔽性能,可能涉及银纳米粒子对电磁波的散射、吸收和反射等机制。
图4i, j和k:
内容:三维液态金属复合材料的示意图、平均EMI屏蔽效能与应变的关系以及在不同应变下的三维形态。
解析:这部分研究了三维液态金属复合材料在受力变形时的电磁屏蔽性能变化,表明这种材料在受力时仍能保持较好的电磁屏蔽效能,这对于开发可变形、可拉伸的电磁屏蔽材料具有重要意义。
  
图5. a) TOCN/CS@MXene/TOCN(TC@MT)复合纸的示意图。[54] b) 具有三明治结构的(Fe3O4/Ti3C2Tx)/PVA的电磁干扰屏蔽机制示意图。[55] c) 由Sn/SnO@C纳米球和石墨烯薄膜制成的电子设备。d) SD和SF薄膜的电磁传播路径。e) 屏蔽系数值;f) R系数;g) SF/SD装置的A系数。h) 使用在625°C下获得的Sn/SnO2@C的A/S比值(c–h)。[56]
解析
这段文字描述了图5中的几个子图及其相关内容,主要涉及复合材料的示意图、电磁干扰(EMI)屏蔽机制、电子设备以及电磁传播路径和性能参数。以下是对每个子图的详细解析:
 1、图5a:
*内容: TOCN/CS@MXene/TOCN(TC@MT)复合纸的示意图。
*解析: 这个子图展示了TC@MT复合纸的结构,其中TOCN可能代表某种纳米纤维素,CS可能代表壳聚糖,而MXene是一种二维过渡金属碳化物或氮化物。这种复合纸可能用于电磁屏蔽或热管理等领域。
2、图5b:
*内容: 具有三明治结构的(Fe3O4/Ti3C2Tx)/PVA的电磁干扰屏蔽机制示意图。
*解析: 这个子图描绘了由Fe3O4(四氧化三铁)和Ti3C2Tx(一种MXene材料)组成的复合材料,与PVA(聚乙烯醇)结合形成三明治结构,用于电磁干扰屏蔽。示意图可能展示了电磁波如何被这种结构吸收或反射,从而达到屏蔽效果。
3、图5c:
*内容: 由Sn/SnO@C纳米球和石墨烯薄膜制成的电子设备。
*解析: 这个子图展示了使用Sn/SnO@C纳米球(锡/氧化锡包裹的碳纳米球)和石墨烯薄膜制造的电子设备。这种组合可能用于提高设备的导电性、热稳定性或电磁屏蔽性能。
4、图5d:
*内容: SD和SF薄膜的电磁传播路径。
*解析: 这个子图可能展示了两种不同薄膜(SD和SF)中电磁波的传播路径。这有助于理解电磁波在不同材料中的行为,以及如何设计材料来优化电磁屏蔽或传输性能。
5、图5e-h:
*内容: 屏蔽系数值;R系数;SF/SD装置的A系数;使用在625°C下获得的Sn/SnO2@C的A/S比值。
*解析:
² 屏蔽系数值: 可能表示材料对电磁波的屏蔽效果。
² R系数: 可能代表反射系数,即电磁波被材料反射的比例。
² A系数: 可能代表吸收系数,即电磁波被材料吸收的比例。
² A/S比值: 可能表示吸收与散射(或反射与散射)之间的比例,这里特指使用在625°C下合成的Sn/SnO2@C材料的A/S比值。这些参数对于评估材料的电磁屏蔽性能至关重要。
整体而言,图5展示了复合材料在电磁屏蔽领域的应用及其性能评估,涵盖了材料结构、屏蔽机制、电子设备应用以及性能参数等多个方面。
 
 图6. a) 木炭骨架/石蜡复合材料的制备示意图。[62] b) 镍基底的扫描电子显微镜(SEM)图像,c) ZIF-67纳米针阵列,以及d) 分层C/Co3O4纳米阵列。e) 在镍基底上制备分层C/Co3O4纳米阵列的工艺示意图(b–e)。[63] f) 孔隙结构调整过程的示意图。g) 分层碳纳米管(CNT)泡沫在8–18 GHz频段内的电磁干扰(EMI)屏蔽效能(f,g)。[64] h) 不同压缩比下碳化木的SEM图像及i) 电磁波(EMW)传播路径。j) 不同孔隙结构的碳化木的EMI屏蔽效能(h–j)。[65]
解析
这段文字和对应的图6主要描述了关于木炭骨架/石蜡复合材料、ZIF-67纳米针阵列、分层C/Co3O4纳米阵列以及碳化木在电磁干扰屏蔽方面的研究和制备过程。以下是对各部分的详细解析:
1、木炭骨架/石蜡复合材料的制备示意图(图6a):
这部分展示了一个复合材料的制备过程,该复合材料由木炭骨架和石蜡组成。这种复合材料可能用于热管理或电磁屏蔽等领域。
2、镍基底、ZIF-67纳米针阵列和分层C/Co3O4纳米阵列的SEM图像(图6b-d):
*镍基底(图6b):作为制备纳米阵列的基底材料,提供了良好的导电性和稳定性。
*ZIF-67纳米针阵列(图6c):ZIF-67是一种金属有机框架材料,其纳米针阵列结构可能具有优异的电磁波吸收或屏蔽性能。
*分层C/Co3O4纳米阵列(图6d):这种分层结构可能通过增加电磁波在材料内部的传播路径,从而提高屏蔽效能。
3、分层C/Co3O4纳米阵列的制备工艺示意图(图6e):
展示了在镍基底上制备分层C/Co3O4纳米阵列的具体步骤,包括基底预处理、纳米阵列的生长和后处理等过程。
4、孔隙结构调整过程的示意图(图6f):
描述了如何通过调整材料的孔隙结构来优化其电磁屏蔽性能。孔隙结构的变化可以影响电磁波在材料内部的散射和吸收。
5、分层碳纳米管泡沫的EMI屏蔽效能(图6g):
展示了分层碳纳米管泡沫在8–18 GHz频段内的电磁干扰屏蔽效能。这种泡沫材料由于其独特的分层结构和优异的导电性,可能具有高效的电磁屏蔽性能。
6、不同压缩比下碳化木的SEM图像及EMW传播路径(图6h-i):
*SEM图像(图6h):展示了不同压缩比下碳化木的微观结构变化。压缩比的变化可能影响材料的孔隙率和导电性,从而影响其电磁屏蔽性能。
*EMW传播路径(图6i):描述了电磁波在不同压缩比的碳化木中的传播路径。这些路径的变化可以解释材料屏蔽效能的差异。
7、不同孔隙结构的碳化木的EMI屏蔽效能(图6j):
展示了不同孔隙结构的碳化木的电磁干扰屏蔽效能。孔隙结构的变化对屏蔽效能有显著影响,这可能是因为孔隙率、孔径分布和孔隙形状等因素影响了电磁波在材料内部的传播和吸收。
总结
这段文字和图6主要展示了通过调整材料的微观结构和孔隙结构来优化其电磁屏蔽性能的研究。通过制备不同类型的纳米阵列和复合材料,并研究其电磁屏蔽效能,为开发高效电磁屏蔽材料提供了新的思路和方法。
  
图7. a) CNT/混凝土电磁干扰(EMI)屏蔽复合材料的几何尺寸和光学照片。[80] b) 用于建筑物不同部位健康监测的应变传感阵列模型。c) 窗户上的透光屏蔽涂层(b,c)。[81] d) 由半透明全竹、透明竹和ITO薄膜组成的多层装置,安装有LED灯。[82]
解析
这段文字描述了图7中的四个子图,每个子图都展示了与电磁干扰屏蔽、建筑材料健康监测以及智能窗户相关的不同内容。以下是对每个子图的详细解析:
图7a: CNT/混凝土EMI屏蔽复合材料的几何尺寸和光学照片
内容:展示了碳纳米管(CNT)与混凝土复合而成的电磁干扰(EMI)屏蔽材料的几何尺寸和实际光学照片。
意义:这种复合材料结合了CNT的高导电性和混凝土的结构强度,旨在提供有效的电磁屏蔽性能,同时保持建筑材料的结构完整性。
图7b: 用于建筑物不同部位健康监测的应变传感阵列模型
内容:展示了用于监测建筑物不同部位(如梁、柱、墙等)健康状况的应变传感阵列模型。
意义:通过集成应变传感器,可以实时监测建筑物的结构变化,提前发现潜在的安全隐患,从而采取必要的维护措施,确保建筑物的长期稳定性和安全性。
图7c: 窗户上的透光屏蔽涂层
内容:展示了窗户上应用的一种透光屏蔽涂层,该涂层能够在保持窗户透光性的同时,提供电磁屏蔽功能。
意义:这种涂层对于需要同时满足采光和电磁屏蔽需求的建筑窗户尤为重要,如医院、实验室等对电磁环境要求较高的场所。
图7d: 由半透明全竹、透明竹和ITO薄膜组成的多层装置,安装有LED灯
内容:描述了一个由半透明全竹、透明竹和氧化铟锡(ITO)薄膜组成的多层装置,该装置上安装有LED灯。
意义:这种多层结构可能用于智能窗户系统,通过调节各层的透光性和反射性,实现窗户的智能调光功能。ITO薄膜因其良好的导电性和透光性,常被用作智能窗户中的透明电极。结合LED灯,这种装置可能还具备照明和显示功能,提升建筑物的智能化水平。
整体来看,这段文字和对应的图7展示了在建筑材料中集成电磁屏蔽、健康监测和智能调光功能的创新方法,体现了现代建筑材料向多功能化、智能化方向发展的趋势。
  
图8. 典型建筑围护结构中热管理(TM)的示意图及其特性。
解析
图8概述:
图8展示了在典型建筑围护结构中热管理(Thermal Management, TM)的示意图,并概述了其关键特性。这张图对于理解建筑中如何实现高效的热管理至关重要,特别是在节能和提升居住舒适度方面。
热管理(TM)在建筑中的应用:
热管理在建筑领域的应用旨在通过调控建筑围护结构(如墙体、屋顶、窗户等)的热传递过程,实现室内环境的热舒适性和能源效率。这包括减少不必要的热量传递(如冬季防止热量散失,夏季防止热量进入),以及利用可再生能源进行供暖或制冷。
一、示意图内容:
虽然无法直接看到图8的具体内容,但根据上下文可以推测,示意图可能包括以下几个关键部分:
1、建筑围护结构:展示了墙体、屋顶、窗户等建筑元素,这些是热管理的主要对象。
2、热传递路径:通过箭头或线条表示热量在建筑围护结构中的传递路径,包括传导、对流和辐射。
3、热管理材料和技术:标注了用于减少热传递或增强热存储的材料和技术,如隔热材料、相变材料(PCMs)、热反射涂层等。
能量流动:可能展示了太阳能的收集和利用,以及建筑内部热量的产生和排放。
二、热管理的关键特性:
1、隔热性能:通过使用高效隔热材料减少热量在建筑围护结构中的传递,从而降低供暖或制冷的能耗。
2、热存储能力:利用相变材料等具有高潜热的材料,在夜间或低温时段存储热量,在白天或高温时段释放热量,以平衡室内温度波动。
3、热反射和辐射调控:通过热反射涂层或智能窗户等技术,调控太阳辐射的进入和室内热量的辐射损失,进一步优化室内热环境。
4、系统集成与智能化:将各种热管理技术集成到一个智能系统中,通过传感器、控制器和执行器等设备实现自动化调控,提高能源利用效率和居住舒适度。
实际应用与挑战:
在实际应用中,热管理技术需要综合考虑建筑的使用功能、气候条件、能源成本和环保要求等多种因素。同时,如何将这些技术有效地集成到建筑设计中,并实现长期稳定运行,也是当前面临的挑战之一。
总结:
图8通过示意图的形式展示了典型建筑围护结构中热管理的关键要素和特性,强调了热管理在提升建筑能源效率和居住舒适度方面的重要性。随着科技的进步和人们对节能环保意识的提高,热管理技术将在未来建筑领域发挥更加重要的作用。
        随着建筑空间电磁干扰加剧,节能建筑材料研究重点聚焦于优异屏蔽、可控热传递及可调光学特性。当前,多种建筑材料在制备工艺、结构设计上取得进展,但仍面临挑战:一是开发透明高效电磁屏蔽材料,需优化成分与结构以实现高效屏蔽;二是发展先进热管理技术,交互式和动态热调节策略或成未来主流,需突破基础研究到工程创新;三是智能窗户应用,热致变色窗需接近环境温度的相变材料,光致变色窗受限于有机材料恢复性,电致变色窗需低成本、强健的电解质系统;四是降低大规模生产和开发成本,利用生物质废弃物、天然矿物等原料,实现低成本、环保与高效能。DOI: 10.1002/adfm.202415921

以下是该文献的主要创新点总结:
 
1、宽带微波屏蔽材料的创新设计:
微观结构调控:通过精心设计材料的微观结构,如导电网络、界面极化、磁耦合、偶极子极化以及介电-磁协同效应,显著提高了电磁屏蔽性能。例如,通过调整碳纤维、聚苯胺纳米纤维和银纳米线(AgNWs)的复合结构,实现了高导电性和优异的微波屏蔽效果。
多层复合结构:提出了多层复合结构的设计,包括均质结构、隔离结构、层状结构和多孔结构,通过不同材料层之间的多次反射和散射,增强了微波的衰减效果。特别是层状结构中的“吸收-反射-再吸收”机制,有效提升了屏蔽性能。
2、热管理材料的创新应用:
多功能热管理材料:开发了集热转换、热存储、热辐射和热传导于一体的多功能热管理材料。例如,气凝胶材料因其超低热导率、高孔隙率和优异的化学稳定性,在建筑保温中展现出巨大潜力。
相变材料(PCMs)的应用:利用PCMs在固液相变过程中吸收或释放大量潜热,实现高效的热能存储和调节。通过将PCMs与建筑结构相结合,有效提升了建筑的能源效率。
3、智能窗户技术的创新突破:
热致变色智能窗户:开发了基于VO2等热致变色材料的智能窗户,能够根据环境温度自动调节透光率,从而控制室内温度,减少空调和暖气的使用。VO2材料在临界温度下发生半导体到金属的相变,实现光透过率的显著变化。
光致变色和电致变色智能窗户:研究了光致变色和电致变色材料在智能窗户中的应用,通过外部光或电刺激调节窗户的透光率。例如,利用WO3等无机材料和有机光致变色分子,实现了窗户透光率的动态调节。
4、材料复合与结构优化:
纳米复合材料:通过将纳米材料(如碳纳米管、石墨烯、MXene等)与传统材料复合,显著提升了材料的综合性能。例如,将MXene与热塑性聚氨酯(TPU)复合,制备出既透明又具有良好微波屏蔽性能的薄膜。
三维多孔结构设计:利用三维多孔结构(如金属有机框架/三聚氰胺泡沫)提高材料的热绝缘性能和微波吸收能力。多孔结构通过延长微波传输路径,增强了散射和衰减效果。
5、绿色电磁屏蔽理念:
提出绿色电磁屏蔽指数:定义了绿色电磁屏蔽指数(g_s),作为评估电磁屏蔽材料综合性能的新标准。该指数不仅考虑了材料的吸收系数,还考虑了其传输系数,鼓励减少二次反射污染。
6、多功能一体化设计:
集成多功能材料:探索了将微波屏蔽、热管理和智能窗户功能集成于一体的多功能材料设计。例如,开发了同时具备微波吸收、热绝缘和光调节功能的复合材料,为未来智能建筑提供了新的解决方案。
这些创新点不仅提升了能源高效建筑在电磁屏蔽、热管理和智能窗户方面的性能,还为相关领域的研究提供了新的思路和方法。

转自《石墨烯研究》公众号
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