柔性可穿戴个人热管理器件的设计、制备及性能研究

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个人热管理是通过调节织物红外性能、热导率等方式来调节体表微环境温度,使其维持在舒适温度的方法。个人热管理器件由于其节能、轻便等优点,具有广泛的应用前景。本论文针对柔性可穿戴个人热管理器件的设计、制备和性能方面展开研究,主要内容如下:(1)红外反射/可见光吸收增强型的个人热管理器件。采用FDTD仿真软件构筑了CNT模型计算了不同间距与直径对CNT薄膜的红外反射率性能的影响,结果表明CNT膜的红外反射率高达70%。基于仿真计算结果,本文研制了基于CNT薄膜保温型的个人热管理器件。首先使用真空抽滤工艺制备了CNT/nano PE薄膜,该薄膜在人体辐射波段(8-14μm)的红外反射率高达78%。此外,该薄膜可见光吸收率高达~90%,因此该薄膜具有良好的隔热性能,温度测试表明该薄膜相对比棉织物的保温效果提高~6℃。此外,基于CNT/nano PE薄膜使用面对面结构制备为具有压力传感性能、隔热性能、电加热功能的多功能器件,基于该多功能器件制备了智能腕带,该腕带可监测人体脉搏信号,此外该腕带具有双模式保温功能,可外接电压(3.5 V)提供焦耳热,提高体表温度至55℃。该多功能器件由于其优异的性能在健康监测、医疗等领域具有广泛的应用前景。(2)红外发射/可见光反射增强型的个人热管理器件。采用FDTD仿真软件构筑Si O2微球模型计算了不同间距与直径条件下的Si O2微球红外发射率性能,计算结果表明Si O2微球在4μm直径下具有最高红外发射率。根据仿真计算结果,本文研制了Si O2微球/nano PE复合制冷薄膜。使用喷涂工艺制备了nano PE/Si O2薄膜,研究了不同剂量和直径对的制冷薄膜的红外发射率的影响,该薄膜在4μm直径条件下具有最高发射率(~75%),该薄膜可提高人体辐射效率实现制冷功能。进一步的构筑了Zn O纳米粒子模型,计算了Zn O纳米粒子的可见光反射率性能,计算结果表明Zn O纳米粒子具有~80%的可见光反射率,并根据仿真计算结果研制了Si O2/nano PE/Zn O复合制冷薄膜。使用喷涂工艺制备了薄膜,该薄膜在具有高红外发射率的同时,可见光反射率可达85%,能有效降低阳光的热量输入。在室外环境下测试,Si O2/nano PE/Zn O薄膜相比于棉织物的表面温度降低了~15.2℃,展现了优异的制冷效果。(3)基于可调谐红外发射率原理的双向热管理器件。利用可调节的电沉积改变红外发射率的原理设计并制备了可调谐双向个人热管理器件,该器件由上电极、凝胶电解质和下电极构成。在初始状态,由于器件具有高红外透明的上电极,此时器件显示出凝胶电解质固有的高红外发射率特性,提高了人体辐射的效率,此时为冷却模式;当器件施加电压时,凝胶电解质中的铜离子沉积在上电极表面,此时表现为铜金属固有的低发射率,降低了人体辐射的效率,此时为保温模式。在反应过程后,可施加反向电压使沉积的铜金属层转化为铜离子,实现可循环的双模式调谐。FTIR测试结果显示通过调节表面的电压(0-20 V)和沉积时间(0-100 s),可以有效调节器件的红外发射率(50%-85%)。红外图像测试中,该器件在正向20 V电压反应80 s相比未反应时的表面温度变化可达6.2℃,展现了优秀的双模式个人热管理功能。
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