模拟叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片
科技论文翻译，原文来自中国知网：
Bionic Leaf Simulating the Thermal Effect of Natural Leaf Transpiration
Zhi Yuan, Hong Ye, Shimin Li
模拟叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片
摘要
我们提出了一种模拟真实叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片。首先把这种仿生叶片设计为由绿色表皮、保水层、复合吸附层和吸收-解吸速率控制层组成的。建立一个热力学模型，基于该模型的仿真结果表明保水层不是必要的。高热传导性的复合吸附剂应该被选为复合吸附层；由于复合吸收-解吸速率控制层的速率低，所以吸附-解析速率控制层应该被去除；当CS的二氯化钙质量达到40%，仿生叶片可以模拟植物叶片的动态热效应。基于仿真结果，我们制备了具有不同氯化钙含量的仿生叶片。利用红外成像仪捕捉仿生叶片和自然叶片的温度数值。测量得到两种叶片的平均辐射温度差小于1℃。
关键字：仿生叶片，复合吸附材料，蒸腾作用，热效应，叶温
1 介绍
人类的许多发明和创造都是受到对自然叶片的结构、组成和特殊性质理解而得到的启发。因为水在一些叶片表面的接触角受到表面微细结构的影响，比如水稻的叶子和莲叶都具有超疏水的特性。基于生物的超疏水原理，大量的超疏水材料被设计出来。植物叶片的微细结构也具有自清洁的功能。基于这种具有自清洁功能的仿生叶片有很大的应用范围。植物叶片的水和色素对叶片的光合作用特性有很大影响。根据植物叶片的组成，Yang et al.设计了一种仿生叶片，该叶片具有和自然叶片相同的光合作用特性。而且，植物叶片的非光滑特性已经得到许多研究人员的注意。
当前关于仿生叶片的研究很少涉及植物叶片生理活动的模拟。蒸腾作用是植物叶片基本的生理活动。早在上世纪60年代，David发现蒸腾作用对于叶片的温度具有很大的影响。由于蒸腾作用，大果栎的叶温会比日照条件下的大气温度低。Marcel et al.报道了相似的现象，玫瑰花的蒸腾作用使得玫瑰花的叶温降低，并且使得玫瑰花所处的温室温度比强日照条件下的大气温度低。在我们先前的研究中，我们深入研究了蒸腾作用的冷却效应。蒸腾作用的潜热消耗了叶片所吸收的太阳能总量的32.9%，并且使叶温降低了8.2℃。为了模拟植物叶片的热红外特性，叶片的蒸腾作用必须被考虑在其中。基于樟树叶的热量和质量转换分析，我们提出了一种多层结构的仿生叶片，这种叶片可以被用于模拟植物蒸腾作用。仿生叶片被设计成由绿色表皮、保水层和复合吸收层组成的。CS层是仿生叶片的关键组成材料。在夜晚，当大气相对湿度较高的时候，CS层可以吸收水蒸气；在白天，当大气湿度较低的时候，CS层可以析出吸收水蒸气。
在这次研究中，我们建立了仿生叶片的热力学模型，并且测量了CS层对水蒸气的吸收性能。然后分析了仿生叶片的计算设计。基于设计结果，一种仿生叶片的基本样品被提出。测量它的动态热红外特性与自然叶片做比较。
2 仿生叶片的结构和热力学模型
考虑到植物叶片的气孔可以调节叶片蒸腾作用速率，我们改进了前面提到的仿生叶片的结构，如图1所示。在复合吸收层下方增加吸收-解吸速率控制层来调节吸收速率。多微孔薄膜结构可以被用作吸收速率控制层，水蒸气可以通过多微孔薄膜的微孔，但是液体水不能通过。图1表达了仿生叶片与环境之间的热交换过程。其中 Qrad 和 Q’rad 分表表示仿生叶片上下表面分别与空气和地面之间的辐射传热热量；Qconv 和 Q’conv 分表表示仿生叶片上下表面与空气和地面空气之间的对流传热传热热量；Qads表示吸收和解吸过程中的潜热，如果当前的吸收量大于平衡时的吸附收则发生解吸，否则发生吸收过程。Qsoalr表示光照强度。
图1 仿生叶片的结构和与环境之间的传热
为了简化仿生叶片的热力学模型，忽略仿生叶片的绿色表皮和吸收-解吸速率控制层的厚度。认为仿生叶片上表面对太阳能的吸收率和辐射率和绿色表皮上的相等。吸附-解吸速率控制层的水蒸气扩散阻力被考虑到吸附-解吸模型中。因此，我们仅仅需要建立保水层和CS层的热力学方程就可以了。保水层的热力学方程如下：
(1)
其中，分表表示水的密度、热容和热导率。
保水层上表面的热通量按如下式计算：
(2)
方程2右边第一项表示仿生叶片上表面吸收的太阳辐射能，其中表示绿色表皮层对太阳能吸收率，第二项和第三项表示仿生叶片与环境的辐射传热和对流传热，其中表示绿色表皮层的辐射率，表示仿生叶片上表面与环境的对流传热系数，和分别表示空气温度和大气温度。
CS层的热力学方程如下3式：
(3)
在方程右边，第一项表示热传导的净能量，其中、c和分别表示CS层的密度、热容和热传导系数；第二项表示吸收和解吸过程中的潜热，其中表示水从液态到气态的潜热，x表示CS层的吸收量，dx/dt表示CS层的吸收-解吸速率。在CS层下表面的热通量可以表示为如下4式：
(4)
在方程4中，右边第一项表示仿生叶片下表面与地面之间的热辐射，其中表示叶底的辐射率，表示地面温度；第二项表示叶底与空气之间的热对流，其中表示对流传热系数。
接下来我们将确定吸收-解析速率。水蒸气连续地通过边界层和疏水微多空薄膜扩散开来，然后被CS层吸收。因此dx/dt可以定义为如下形式：
(5)
分母的第一项表示CS层的水蒸气扩散阻力，其中K表示吸附颗粒的传质系数；分母的第二项表示边界层和疏水微多空薄膜的水蒸气扩散阻力，其中和分别表示CS层的密度和厚度，表示亨利系数，和分别表示边界层和疏水微多空薄膜的传质阻力。
3关键材料的准备和属性
CS层、绿色外皮和微孔疏水薄膜是仿生叶片的关键材料。需要为仿生叶片准备两种CS，它们是活性碳纤维（ACFC）与CaCl2 CS和扩展性石墨（EG）与CaCl2 CS。ACFC和EG kp80 是从江苏购买，ACFC CS层(纸杯过程如下)如下。ACFC在350℃下烘干3小时。把烘干的ACFC浸没在饱和的氯化钙水溶液中，24小时之后从氯化钙溶液中取出，然后在350℃环境中烘干3小时。EG CS层如下。把EG放在600℃环境下烘烤10 分钟。然后将EG放在20%的氯化钙水溶液中，然后将它们放在100℃的烤箱中直到水蒸发完。最后，在压力为12Mpa，时间3-5分钟条件下，把复合粉末压入模型中。EG CS的氯化钙含量可以通过调节氯化钙溶液的质量分数来控制。然而，ACFC CS的最大氯化钙含量是65%。
CS层的水蒸气吸收行为是借助ASAP 2020M 来测量的。具有最大氯化钙含量的ACFC CS、氯化钙和含有33.3%氯化钙的EG CS对水蒸气得等温吸收过程的测量是在303压力下进行的。CSs对水蒸气的吸收质量和相同质量分数的氯化钙溶液对水蒸气的吸收质量的比较如下图2所示。
图 2 ACFC、EG和等价氯化钙对水蒸气的等温吸收过程
（我们）发现CSs对水蒸气的吸收质量和相同（等价）氯化钙含量水溶液对水蒸气的吸收质量相等。因此，CSs对水蒸气的吸收质量可按如下式子计算：
(6)
其中表示CS层的水蒸气吸收质量，w表示CS层中的氯化钙的质量分数，表示氯化钙的水蒸气吸收质量。依据氯化钙的等温过程，氯化钙的吸收质量可按下式计算：
其中，P表示水蒸气相对压力，CS的吸收-解吸速率对仿生叶片而言是很重要的。在给定的ACFC 和EG的传质系数分别是和条件下，ASAP2020M可以被用作测量动态吸收量。ACFC和EG的热传导过程利用激光热导仪测量，它们分别是0.063和5.13。绿色表皮是由聚氨酯清漆、氧化铬和铝粉组成。聚氨酯清漆、氧化铬和铝粉以40: 19: 1的比例混合在一起，太阳吸收率和反射率分别是0.6和0.8。水蒸气的传递阻力可以通过Perme W3/060 水蒸气传输速度测试系统测定。测量结果分别是733.39m/s、1582.28m/s、1596.89m/s和1879.39m/s。
4 仿生叶片设计计算
我们关心的是仿生叶片的上表面温度，我们的目的是控制仿生叶片上表面的平均温度，接下来我们将用仿生叶片的热力学模型。依据测量结果，绿色表皮对太阳能的反射率和吸收率设为0.6和0.8。水蒸气的传输阻力设为1447.99s/m。这是四个微多空薄膜的平均值。7月20日的气象参数的典型气象年在南京。首先我们分析了影响仿生叶片温度的保水层厚度。这里考虑的是发生在白天的蒸腾作用，所以我们只关注白天的结果。图3 展示的是不同保水层厚度的仿生叶片上下表面的温度和自然叶片的温度，实验时间是上午10点到下午4点。自然叶片的计算温度已在前文的研究中提出。仿生叶片的上表面温度比自然叶片高。所以我们降低了仿生叶片的上表面温度。上表面温度比下表面温度高。随着仿生叶片的保水层的厚度增加，其上表面温度也在上升，并且上表面温度的增加不同于仿生叶片和自然叶片温度地增加。所以我们应该去除保水层。
ACFC CS 有一个大的吸收-解吸速率。微孔疏水薄膜可以调节吸附-解析速率。ACFC CS 的带有吸附-解吸速率控制层和无吸附-解吸速率控制层的吸收热计算结果如下图4所示。正值表示仿生叶片吸收的热量，负值表示仿生叶片释放的热量。我们发现没有微孔疏水膜的仿生叶片在白天吸收的热量较多，这将引起仿生叶片温度的增加。带有微孔薄膜结构的仿生叶片在白天吸收的热量是负值。所以微孔疏水薄膜是ACFC CS仿生叶片的关键。
图3 不同保水层的厚度的仿生叶片的温度和自然叶片的温度
图 4 有无微孔疏水薄膜的ACFC CS 仿生叶片吸收的热量
上表面温度比下表面温度高。可能的原因是ACFC CS有一个较低的热导率。仿生叶片的上表面吸收的太阳能辐射没有完全传递到下表面。分析仿生叶片上表面热传导过程的影响因素，理想ACFC CS和EG CS的热传导过程相同，依据总热容原理，仿生叶片上下表面的温度应该相等。图5 展示了理想的仿生ACFC CS 叶片、实际仿生ACFC CS 叶片和自然叶片的上表面温度。我们可以发现CS的热导率对仿生叶片上表面温度有重要影响。高热导率仿生叶片上表面温度与自然叶片温度的差小于低热导率仿生叶片上表面温度和自然叶片的上表面温度的差。高热导率的仿生叶片上表面最大温度和自然叶片上表面的最大温度相差2.4℃，低热导率的仿生叶片上表面最大温度和自然叶片上表面的最大温度相差4.7℃。所以我们应该选择高热导率的EG CS 层作为CS层。
图5 理想 ACFC CS、实际CS和自然叶片的上表面温度
EG CS的氯化钙含量影响仿生叶片对水的吸收，仿生叶片的水吸收影响仿生叶片的温度。不同氯化钙含量的仿生叶片的温度计算结果如下图6所示。EG CS有一个较低吸收-解吸速率，所以我们假设移除吸收-解吸速率控制层，把仿生叶片的温度和自然叶片的温度做一个比较，对仿生叶片温度影响最大的氯化钙含量是13pm，随着氯化钙含量从10%到20%的增加，仿生叶片的温度增加了0.7℃，随着氯化钙的含量从20%到40%的增加，仿生叶片的温度增加了0.6℃，继续增加氯化钙含量，仿生叶片温度增加放缓。表1显示了仿生叶片和自然叶片之间的差异。我们可以发现，当氯化钙含量达到40%后，仿生叶片的平均温度与自然叶片的平均温度相差不到2℃。
图6 不同氯化钙含量的仿生叶片的温度和自然叶片的温度
表1 仿生叶片和自然叶片的温度
5 仿生叶片的现场测试
设计计算表明EG CS仿生叶片能够很好的模拟植物叶片的热力学特性。为了验证仿生叶片的效果。2013年4月25日进行现场试验。考虑到氯化钙由于吸水潮解,添加热塑性聚氧化乙烯(PEO)到仿生叶片中以其改善其力学性能。仿生叶准备如下：将EG 中混合氯化钙和PEO饱和水溶液的样品放在80℃微波炉中烘干。干燥的复合粉末插入树叶形状的模具中，用12Mpa的压力压缩下大约3分钟- 5分钟。然后将复合块加热到90℃保温3分钟。最后,绿色涂料喷涂在复合块表面。三种仿生叶子的PEO、EG和氯化钙质量分别是1:4:5,2:4:4和3:4:3。
这里选择桂花作为对比植物。去掉桂花叶以仿生叶代替，如图7所示。使用由广州坐红外技术有限公司生产的红外热像仪记录HY6860记录植物每小时的温度。每两小时测量和记录仿生叶片的质量。图8 表达了仿生叶片的温度记录和植物叶片的温度记录。表2 表达了仿生叶片和植物叶片之间不同的辐射温度。我们可以发现仿生叶片可以很好的模拟自然叶片的热红外特性。仿生叶和植物叶片的平均辐射温差小于1℃。图9显示了仿生叶的质量变化。仿生叶片质量变化表明解吸发生在白天，吸收发生在晚上。在2点左右，样品1的质量变化是不同于样品2和3的。这是因为样品1的PEO含量太低,所以当氯化钙在夜间潮解时，样品1的力学性能迅速下降。图10显示了示例1凌晨四点的照片。我们可以看到,样品1在夜里扭曲和变形。甚至样品的一部分在质量测量时脱落。所以样品1的质量在2点时急剧减少，怎样提高仿生叶片的机械性能是下一步研究的目标。
表2 仿生叶片和植物叶片的辐射温度
图7 仿生叶片的定位
图8 仿生叶和自然的温度记录。
图9 仿生叶片的质量变化
图10 样本1在四点的照片
6结论
提出了一种可以模拟植物叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片。仿生叶片由绿色表皮、保水层、CS层和吸收-解吸速率控制层组成。随着保水层厚度的增加，仿生叶片上表面温度与植物叶片表面温度的差值越来越大，所以，保水层应该被去除。如高导热系数的EG CS应该选为CS层,由于EG CS低的吸收-解吸速率，吸收-解吸速率控制层不是必要的。当仿生叶片的氯化钙含量达到40%后，仿生叶片的平均上表面温度与植物叶片的温度相差不到2℃。仿生叶片的效果通过现场试验的得到了验证。仿生叶片可以很好地模拟植物叶片蒸腾作用的热效应。
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