结题报告-太阳能反射材料测试装置设计与应用

（创新类项目）结题报告书项目名称太阳能反射材料测试装置设计与应用项目类型（）重点项目、（）重点自筹项目、（）一般项目、（）指导项目计划完成时间2015年5月研究期限项目起始时间2014年5月实际完成时间2015年4月一、项目实施情况（请就研究目标、研究过程、研究成果、项目的完成质量、学术水平以及推广应用价值作全面总结，3000字以内）1研究目标太阳能虽然是人类生产生活的主要能源，但在很多特定的地区以及特定的场合，太阳会造成室内温度过高，带来大量能源消耗，针对此问题，很多降温材料应运而生。本实验就设计了一种可以直接用于降温材料实际降温效果测试的实验测试装置。该装置可以通过温度的变化直接观察到太阳能反射材料的降温性能。解决太阳能反射材料依靠紫外可见近红外分光光度计UVPC测试其对太阳光谱反射率的现状，设计可以直接用于太阳能反射材料降温效果测试的装置。2研究过程针对测试装置内部温度受外界环境温度影响较小的要求，首先选择多种高分子材料、多孔高分子进行导热系数测试；查阅相关文献，根据理论公式计算两种三明治结构复合材料（平板式和圆筒式）的导热系数；设计、制作和验证该装置的效果。最后直接测试太阳能反射材料的降温效果，并与UVPC测试结果比较。3研究成果在课题进行中，我们参加了1次学校组织的学术论坛竞赛第三届南京工业大学材料学院创新杯科技论坛，荣获了三等奖。同时，项目主持人戚燕俐以第一作者身份，项目参与人方悦韵以第二作者身份，指导老师张军教授作为通讯作者撰写了一篇名为三明治复合结构保温箱材料导热系数测定与隔热效果验证的论文，此文章已向专业核心期刊塑料工业杂志社投稿，已收到录用通知，将在2015年第7期采用。另外，项目指导老师张军教授以第一发明人，项目主持人戚燕俐以第三发明人申请了专利名称为一种透明增塑PVC功能薄膜及制备方法的专利，申请号为2015101152241。4项目的完成质量在整个项目进行过程中，实验一直按照计划进行，也都已经全部完成。第三季度中，实验的完成时间比预期稍稍提前，因此原本安排在4月份的数据整理和论文撰写也相应提前。本实验设计了一种三明治结构的复合材料保温箱，导热系数的测试结果以及采用理论公式后导热系数的计算结果都能说明本实验设计的三明治复合结构保温箱具有较低的导热系数，另外，本实验还对设计的实验装置进行了隔热效果的验证实验以及应用实验，实验结果也较好地说明了该装置具有较好的隔热效果，可以用于太阳能反射材料降温效果的测试，这些实验结果都和实验课题原本的开题宗旨保持一致。我们还用此课题参加了南京工业大学材料学院第三届创新杯学术论坛，获得了三等奖。我们撰写的名为三明治复合结构保温箱材料导热系数测定与隔热效果验证的论文也已投到塑料工业杂志社，已收到录用通知，将在今年第7期采用。同时申请的名为一种透明增塑PVC功能薄膜及制备方法的专利也已申请成功。综上所述，我们课题组较好地完成了该课题。5学术水平及推广应用价值本课题主要设计了一种三明治复合结构的保温箱，着重于导热系数的测试和计算。因此，本课题更加着重于装置的实际应用价值和创新性。现在，为了应对全球变暖、温室效应、能源消耗等问题，降温材料的研究已经成为热点之一，本实验设计的装置就可以用于测试降温材料的实际降温性能，具有很大的实际意义。二、项目创新点与特色本实验的特色即设计了一种具有良好隔热效果的保温箱应用于降温材料实际降温性能的测试。针对测试装置内部温度受外界环境温度影响较小的要求，我们首先选择多种高分子材料、多孔高分子，并对其进行导热系数测试；然后查阅相关文献，根据理论公式计算两种三明治结构复合材料（平板式和圆筒式）的导热系数；再设计、制作了一种三明治结构的复合材料保温箱并验证该装置的隔热效果；最后采用设计的具有优良隔热效果的装置直接测试太阳能反射材料的降温效果，并与紫外可见红外分光光度（UVPC）测试结果相比较。采用两种三明治结构的复合材料，具有隔热效果好、制作方便的优点，并且可直接测试太阳能反射材料的降温效果。设计的三明治复合结构的保温箱可以直接用来测量、评估降温材料的降温性能，打破降温材料较多采用UVPC测试太阳能反射率的传统。成果精粹1三明治复合结构保温箱结构示意图图1保温箱结构示意图FIG1THESTRUCTUREDIAGRAMOFTHEHEATINSULATIONDEVICE由图1可见，保温箱的设计主要采用特殊的三明治复合结构，其中管壁部分采用PVC管材NR发泡片材PVC管材的复合结构，底部采用PA6板材NR发泡片材PA6板材的复合结构。实验装置中管壁部分最外层为内径71MM、壁厚2MM的白色PVC管材，最里层为内径53MM、壁厚5MM的灰色PVC管材，中间一层为4MM厚发泡的天然橡胶填充片材。最外层选择白色PVC管材是因为其中含有的TIO2可以有效地屏蔽和反射太阳光，减少太阳能对实验的影响。实验装置中底部的三明治结构中上层和下层分别是厚度为8MM和4MM的浇铸PA6板材，中间一层仍为4MM厚的发泡天然橡胶。实验装置中最上层是5MM厚的透明玻璃，并在距离装置顶部40MM的地方钻孔插入温度计。2四种高分子材料导热系数测试三明治复合结构保温箱中所用四种高分子材料的导热系数测试结果如表1所示。由表1可以看出，两种PVC材料和PA6材料的导热系数相对较大，均在035WM1K1左右，因此单独做成隔热装置隔热效果不佳。发泡天然橡胶的导热系数低至0075WM1K1，其值约为PVC材料和尼龙6材料的20，是理想的保温隔热材料。虽然发泡天然橡胶的导热系数较小，但由于其不具有一定刚性，也不适合单独作为实验装置。表1各样品导热系数测试结果TABLE1THETHERMALCONDUCTIVITYOFDIFFERENTSPECIMEN样品白色PVC灰色PVCPA6发泡天然橡胶导热系数/WM1K10334035203460075热扩散系数/MM2S10279029002210313比热容/MJM3K111971212156202413三明治复合结构设计与复合材料的导热系数计算（1）三明治复合结构保温箱底部为平板式（PA6板材NR发泡片材PA6板材）多层复合结构，其结构如图2。图2三明治复合结构保温箱底部剖面图FIG2THEPROFILEOFTHEBOTTOMOFTHEHEATINSULATIONDEVICEWITHSANDWICHSTRUCTURE其导热系数计算公式为7；其中，H为总厚度，123/HHH底底底底H1,H2,H3分别为三明治结构中每一层材料的厚度，,分别为每一层材料的导热系1底底底数。代入数据计算得底部复合材料的导热系数是。1087WMK底（2）三明治复合结构保温箱管壁为圆柱式（PVC管材NR发泡片材PVC管材）多层复合结构，其结构如图3。图3三明治复合结构保温箱管壁剖面图FIG3THEPROFILEOFTHETUBEOFTHEHEATINSULATIONDEVICEWITHSANDWICHSTRUCTURE其导热系数公式为8；其中，BI是三明治结构中每一层材131LNIIIIIBR管管料的厚度，是相对应的每一层材料的导热系数，、分别为相对应的每一层材料的I管1IRI外径和内径，代入数据计算得管壁部分复合材料的导热系数是。109WMK管由以上计算结果可以看出，采用理论公式计算得到的复合材料的导热系数都较小，使本文设计的保温箱具有良好的隔热效果。另外，由于管壁最外层的PVC管材和底层的PA6板材具有一定的刚性，因此该装置在实际操作中具有可行性。4保温箱应用实验图4和图5为贴附了不同功能薄膜的实验装置在户外太阳光直接照射下保温箱内部的升温曲线图。由图4和图5可知，随着时间的增加，六个实验装置的内部温度都有所上升。含有ITO或ATO功能纳米粒子的透明增塑PVC功能薄膜可以使装置内部的温度下降35OC，这主要是由于ITO、ATO是一种具有光学特性的无机功能填料，对太阳光可以表现出明显的光谱选择性，可以有效地阻隔红外波段的热量。同时，随着ITO或ATO功能粒子含量的增加，材料的隔热效果就更加明显。这也能说明本文设计的三明治复合结构保温箱具有良好的隔热效果，可以用于隔热材料、隔热涂料等功能材料实际降温效果的测试。图4贴附功能薄膜后实验装置内部温度升温测试结果实验测试时间2014年7月23日10001100；测试地点中国，南京，32O437”N,118O4619EFIG4THETEMPERATUREOFTHEINNERSPACEOFTHEDIFFERENTDEVICEVERSUSTIMEINTERVALTHISTEMPERATURETESTISMEASUREDFROM1000TO1100AMON23THJULY2014,32O437”N,118O4619E,INCITYNANJING,CHINA图5贴附功能薄膜后实验装置内部温度升温测试结果实验时间2014年7月23日10001100；测试地点中国，南京，32O437”N,118O4619EFIG5THETEMPERATUREOFTHEINNERSPACEOFTHEDIFFERENTDEVICEVERSUSTIMEINTERVALTHISTEMPERATURETESTISMEASUREDFROM1100TO1200AMON23THJULY2014,32O437”N,118O4619E,INCITYNANJING,CHINA综上所述，我们选择PVC管材、浇铸尼龙6板材、发泡天然橡胶，设计的三明治复合结构保温箱具有较好的隔热效果，其内部温度受外界环境影响较小。保温箱底部PA6板材NR发泡片材PA6板材复合结构的导热系数为0187WM1K1，保温箱管壁部分PVC管材NR发泡片材PVC管材复合结构的导热系数为0109WM1K1。无机功能填料ITO能有效阻隔红外波段的热量，添加05份ITO的透明增塑PVC薄膜可以使装置内部温度下降34OC，表明设计的三明治复合结构保温箱可以用于隔热材料、隔热涂料等功能材料的降温效果测试。三、项目成果项目申请书中的预期成果及成果提交形式公开发表论文（0）篇、专利（0）项、调查报告（）份软件、著作（）份、实物（1）件、竞赛获奖（1）次其它（）项目结题时取得的成果公开发表论文（1）篇、专利（1）项、调查报告（）份软件、著作（）份、实物（1）件、竞赛获奖（1）次其它（）项目主要研究成果情况序号成果名称（获奖名称及等级）成果形式作者（获奖者）出版社、发表刊物或颁奖单位时间（刊期）1一种透明增塑PVC功能薄膜及其制备方法专利张军尹秀萍戚燕俐申请号20151011522412015年3月16日2三明治复合结构保温箱材料导热系数测定与隔热效果验证论文戚燕俐方悦韵张军塑料工业2015年第7期3南京工业大学材料学院第三届创新杯科技论坛三等奖竞赛获奖戚燕俐方悦韵南京工业大学材料学院2014年6月4三明治复合结构保温箱实物戚燕俐方悦韵56四、研究体会和心得（500字以内）目前，课题已接近尾声，除了结题报告的撰写，其他各项工作也已基本落实。而在这近一年的时间里面，我也收获了很多。首先，令我感受最深的就是在整个课题进行过程中张军教授的认真严谨的态度。张老师对科研有着浓厚的兴趣，思虑周全，及时给予我们指导。一年时间，不长不短，认真严谨是课题进行下去的必要条件。实验中很多细小的地方，比如导热系数样品的压制过程以及温度计的筛选等，都是实验成败的关键。在这一年时间里，做实验的过程就是我不断学习、不断进步的过程。这个项目使我的学习生涯更加充实，也让我的大学更加完整。经过这一年时间，我熟悉了实验的操作以及ORIGIN，CAD等软件的使用，受益匪浅。这也为我研究生的学习打下了一定基础。感谢江苏省大学生创新创业训练计划给了我们一个锻炼自己的平台。最后，再次感谢我的指导老师张军教授，张老师在学术上严谨、认真的态度深深地感染了我，课题的完成也离不开张老师对我们悉心的指导。五、经费使用明细情况项目实际投入经费20000元项目获批总经费20000元实际使用资金19950元结余资金50元项目经费开支情况名目用途金额备注论文版面费版面费1200专利申请费代理费，申请费，印刷费，审查费6950调研、差旅费住宿费，交通费800打印、复印费打印复印所需相关资料500资料费购买无权下载的文献资料1500试剂等耗材费购买实验所需各种材料3000元器件、软硬件测试、小型硬件购置费等；导热系数，UVPC等测试费用3500其它装置组装费用2500项目组承诺我保证上述填报内容的真实性，经费使用规范合理，项目成果无弄虚作假情况。主持人签名戚燕俐项目组其他成员签名方悦韵2015年4月20日指导教师意见（包括项目的组织实施、完成质量、学术水平以及推广应用价值、经费使用等情况）项目设计了一种可以直接用于降温材料实际降温效果测试的三明治复合结构保温箱，该实验测试装置具有较好的隔热效果，其内部温度受外界环境影响较小，解决太阳能反射材料依靠UVPC测试其对太阳光谱反射率的现状，可以直接用于太阳能反射材料降温效果测试。项目实施期间主持人戚燕俐以第一作者身份，项目参与人方悦韵以第二作者身份撰写了一篇名为三明治复合结构保温箱材料导热系数测定与隔热效果验证的论文，此文章已向专业核心期刊塑料工业杂志社投稿，并将在2015年第7期刊登。另外，项目主持人戚燕俐以第三发明人参与申请了1件发明专利一种透明增塑PV