一种基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板

本发明属于仿生材料，具体涉及一种基于仿生蝴蝶陷光结构的保温墙体。

背景技术：

1、居住建筑作为我国建设规模最大的建筑类型，能源消耗占有重要比例。我国国土面积辽阔，寒冷地区却占据较大部分的国土领域，冬季采暖连年持续消耗大量能源。在居住类建筑中，热损失最多的是建筑外围护结构，建筑墙体是建筑保护结构的重要组成部分，通过外墙引发的热量损失占围护结构总能耗的40％。减少外围护结构的热损失，提升外墙的保温性能是住宅类建筑最重要的节能措施同时具有重大的意义。

2、在传统保温墙应用中，大多数依然采用普通混凝土，无法有效解决墙板的冷桥效应。并且因其对力学效能研究不足，造成传热系数与建筑能耗之间缺少定量关系。在保温墙板的结构作用方面，可分为内保温、外保温以及夹芯保温墙体三类。内保温建筑墙体普遍存在内部保温层易损、受室内装修环境影响大等问题。外保温建筑墙体则存在相对严重的防火性不良、耐久性差等问题。若通过对墙板的结构改良，很难再提升墙板本身的经济和节能特性，且大部分情况下并不能适用于所有类型的建筑。

3、陷光结构也可称作“光陷阱”，当光线照射进入这一结构，通过反射、折射和散射作用，将摄入光线分散到各个角度，从而增加结构对光能的吸收。目前大量的研究发现，在太阳能电池中引入陷光结构可有效提高太阳能电池的短路电流和转换效率。通过对自然界蝴蝶鳞翅的观察发现，蝴蝶翅膀表面分布有微纳尺度的脊和塔状多层物理结构，构建了蝴蝶鳞片凹坑形、脊纹形和栅格形等不同的表面形态模型，形成陷光结构。蝴蝶体表的陷光结构可以实现光热转换，将其通过仿生方法应用于建筑保温墙板可实现墙体的保温，为进一步提升墙板本身的经济和节能特性提供重要启发。

4、图1、图2分别为琉璃蛱蝶和柑橘凤蝶的扫描电镜图像，从图中可看出两种蛱蝶表面具有相似的微纳尺寸多层物理结构。左侧分别为琉璃蛱蝶及柑橘凤蝶翅膀表面放大500倍后的扫描电镜图像，可清晰观测到蛱蝶翅膀表面成排列整体有序的鳞片状。进一步放大鳞片结构，如右侧所示，蝴蝶鳞片表面呈现规则的条形脊脉结构并在脊脉结构之间分布有多孔凹槽结构。本发明以此结构为启发设计了一种基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板。

技术实现思路

1、为了解决传统保温墙保温效果差、易受损害、易燃烧、安全性差、通用性差等缺陷，同时满足节能减排的国策要求，本发明提出了一种基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明中基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其表面带有仿生蝴蝶陷光结构，所述仿生蝴蝶陷光结构具有两种结构，即脊型陷光结构或栅格凹槽陷光结构；

4、其中，脊型陷光结构由平面和平面上凸起的条形脊脉构成，所述的条形脊脉的截面为上窄下宽的梯形，梯形上底宽为1.2μm-2.5μm，下底宽为2-3.5μm，高度为2.4μm-3μm，脊脉间的间距为5-6μm。

5、栅格凹槽陷光结构由若干个格栅凹槽排列构成，格栅凹槽的形状为四棱台状，格栅凹槽的横截面为上宽下窄的梯形，上底宽0.6μm～0.8μm，下底宽0.3μm～0.4μm，高0.5μm～1μm，凹槽间隔0.1μm。

6、所述的保温板材质为聚苯乙烯或聚氨酯材料。

7、一种包含所述基于仿生蝴蝶陷光结构保温板的保温墙体，由混凝土外墙1、基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板2和辅助固定件构成，基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板2通过辅助固定件固定安装在混凝土外墙1表面。

8、本发明的有益效果：传统的保温墙板主要更注重保温效果，并不注重建筑节能和对环境的影响。在结构上，也并不能很好的发挥保温效果，在力学性能和防火性能上也很难达到理想标准，墙体开裂和火灾事故频发的事情时常发生。因此，在传统保温墙板的基础上研究开发新型的复合材料墙板和新型结构墙板是当下建筑墙体研究的热点。本发明在研究新型保温墙板的过程中，亦将自然仿生理念融入到其中。通过对自然界蝴蝶表面观察，将仿生蝴蝶体表的陷光结构应用于保温墙板领域，提高了建筑保温墙板的光热转换效果，具有极大应用价值。

技术特征：

1.一种基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其特征在于，该保温板表面带有仿生蝴蝶陷光结构，所述仿生蝴蝶陷光结构为脊型陷光结构或栅格凹槽陷光结构；

2.根据权利要求1所述的基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其特征在于，条形脊脉的截面中梯形上底宽1.2μm、下底宽为2μm、高3μm；脊脉间间距5.5μm。

3.根据权利要求1所述的于基仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其特征在于，条形脊脉的截面中梯形上底宽2.5μm、下底宽为3.5μm、高2.4μm；脊脉间间距4μm。

4.根据权利要求1所述的基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其特征在于，格栅凹槽的横截面中梯形上底为0.8μm、下底为0.3μm；高为0.5μm，凹槽间隔0.1μm。

5.根据权利要求1所述的基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其特征在于，格栅凹槽的横截面中梯形上底为0.6μm、下底为0.4μm；高(即深度)为1μm，凹槽间隔0.1μm。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，其特征在于，所述的保温板材质为聚苯乙烯或聚氨酯材料。

7.一种包含权利要求1所述基于仿生蝴蝶陷光结构保温板的保温墙体，其特征在于，该墙体，由混凝土外墙(1)、基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板(2)和辅助固定件构成，基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板(2)通过辅助固定件固定安装在混凝土外墙(1)表面。

技术总结
本发明公开了一种基于仿生蝴蝶陷光结构的保温板，属于仿生材料技术领域，本发明受琉璃蛱蝶和柑橘凤蝶鳞翅表面的陷光结构的启发，从中得到了两种陷光结构，即脊型陷光结构或栅格凹槽陷光结构；其中，脊型陷光结构由平面和平面上凸起的条形脊脉构成，所述的条形脊脉的截面为上窄下宽的梯形，梯形上底宽为1.2μm‑2.5μm，下底宽为2‑3.5μm，高度为2.4μm‑3μm，脊脉间的间距为5‑6μm；栅格凹槽陷光结构由若干个格栅凹槽排列构成，格栅凹槽的形状为四棱台状，格栅凹槽的横截面为上窄下宽的梯形，上底宽0.6μm～0.8μm，下底宽0.3μm～0.4μm，高0.5μm～1μm，凹槽间隔0.1μm。通过仿真测试验证其保温效果明显优于现有的保温墙体。

技术研发人员：刘国敏,殷玥,陈浩卿,陈永续,陈垚,王壮
受保护的技术使用者：吉林建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13