據(jù)先進制造微信公眾號，于2025年11月03日報道，近期，浙江大學李強教授和西湖大學仇旻教授團隊在Light: Advanced Manufacturing發(fā)表了題為“Photonic control of thermal radiation for protective windows”的研究論文。
針對火災和鋼鐵冶煉等高溫場景中現(xiàn)有熱防護窗缺乏熱輻射調(diào)控能力的問題，該研究提出一種基于雙面納米光學薄膜的定向輻射制冷型熱防護窗策略，通過將寬帶定向熱輻射器和低輻射率（Low-E）薄膜結(jié)合到商用聚碳酸酯（PC）熱防護窗兩側(cè)，利用納米光子膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計出可見透明的全長波紅外定向熱輻射器，進而結(jié)合商用PC窗制備出具有寬帶定向輻射制冷功能的熱防護窗。與商用熱防護窗相比，這種定向輻射制冷型熱防護窗能提供更優(yōu)異的熱防護性能和人體熱舒適度，且具備可見高透明、耐高溫、耐刮擦和抗沖擊等性能，可更好地為消防和煉鋼等高溫環(huán)境中的特種工作者提供熱防護與熱舒適，有望在熱輻射調(diào)控和高溫熱防護領(lǐng)域帶來新的應用。
在火災、煉鋼廠等高溫場景中，高溫熔爐或火源會持續(xù)產(chǎn)生大量熱輻射，不僅會導致周圍儀器設(shè)備因溫度過高而損壞，還會對工作者的身體健康造成傷害——可能引發(fā)中暑、脫水和熱衰竭等熱應激反應，嚴重時甚至導致熱射病和死亡。同時，高溫工作現(xiàn)場往往存在大量火花、飛屑、粉塵及墜落物體等，這些都會傷害人的眼睛、面部和頸部。因此，面對高溫熱源時，人體的熱防護和熱舒適極為重要，尤其在消防救援和工人生產(chǎn)作業(yè)過程中，提供熱防護窗以保障消防員和工人的生命安全具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。
目前的熱防護窗主要采用導熱系數(shù)低的透明隔熱材料，如聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和二氧化硅等，但這些材料通常具有紅外高吸收和高輻射特性。如圖1所示，一方面，熱防護窗朝向高溫熱源的一側(cè)會不斷吸收來自熱源的大量輻射能量，導致自身溫度急劇升高，甚至達到幾百度；另一方面，其面向用戶或設(shè)備的一側(cè)會持續(xù)向用戶或儀器設(shè)備輻射熱量，造成人體熱損傷或儀器失靈等現(xiàn)象。因此，現(xiàn)有熱防護窗在為用戶提供有效熱防護和個人熱舒適方面存在明顯不足。此外，PC和PMMA等透明材料耐刮擦性能較差，而利用二氧化硅等玻璃材料設(shè)計的低輻射率玻璃抗沖擊性能較差，這些劣勢限制了它們在消防、鋼鐵冶煉等復雜特種作業(yè)中的應用。因此，提供一種兼具優(yōu)異熱防護、熱舒適性能且能適應復雜高溫工作環(huán)境的先進高效熱防護窗設(shè)計方法，變得至關(guān)重要且迫在眉睫。
該研究團隊將可見透明的寬帶定向熱輻射器和Low-E薄膜與商用PC窗相結(jié)合，設(shè)計出基于雙面納米光學薄膜的定向輻射制冷型熱防護窗，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。熱防護窗的背面是可見透明（透過率大于0.8）的Low-E薄膜材料，主要由鍍氧化銦錫（ITO）的PET薄膜構(gòu)成。由于ITO具有高紅外電導率，這種Low-E薄膜在3-14μm紅外波段表現(xiàn)出低輻射率（對應高紅外反射率），因此能反射來自熱源的大量熱輻射，防止熱防護窗吸熱升溫。
熱防護窗的正面是可見透明（透過率大于0.8）的寬帶定向熱輻射器。針對以往定向熱輻射器可見不透明的問題，研究團隊利用兼具可見透明和紅外高反射的ITO薄膜取代金屬襯底，提出基于Al2O3/ZnS/Al2O3/Low-E多層膜系結(jié)構(gòu)的可見透明寬帶定向熱輻射器。與利用多種近零介電常數(shù)（ENZ）材料實現(xiàn)的寬帶定向熱輻射相比，這種設(shè)計僅需單一ENZ材料就能實現(xiàn)寬帶定向熱輻射，極大降低了成本并簡化了器件制備過程；同時，它還突破了單一ENZ只能實現(xiàn)窄帶定向熱輻射的限制，為后續(xù)研究定向熱輻射的帶寬調(diào)控提供了更多材料可控自由度。
該定向輻射制冷型熱防護窗在整個可見光波段具有高透過率，其中紫線表示其正面在3-14μm紅外波段具有高法向反射率，可反射來自高溫熱源的熱輻射；紅色實線表示正面在8-14μm紅外大氣窗口波段具有朝特定方向（θe）的高定向輻射率，能實現(xiàn)被動定向輻射制冷；紅色虛線表示背面在3-14μm紅外波段具有低法向輻射率，可抑制自身對用戶的熱輻射。因此，這種基于雙面納米光學薄膜且具有寬帶定向輻射制冷功能的熱防護窗設(shè)計策略，能在高溫工作場景下為用戶提供良好的熱防護和人體熱舒適性能。
總結(jié)與展望
該研究提出并制備的基于雙面納米光學薄膜的寬帶定向輻射制冷型熱防護窗，為復雜高溫高危工作環(huán)境中的用戶提供了優(yōu)異的熱防護和個人熱舒適性能。這種熱防護窗還具有可見高透明、耐高溫、耐刮擦和抗沖擊等性能，能更好地為消防和煉鋼等復雜高溫工作環(huán)境中的特種工作者提供熱防護與熱舒適。該研究將促進定向熱輻射器在寬光譜范圍內(nèi)的高輻射和熱傳遞研究，同時，這種將熱傳遞限制在特定波長范圍和特定方向內(nèi)的能力，對推動納米光子結(jié)構(gòu)熱輻射器在實際生活中的應用具有重要現(xiàn)實意義。
