上海交大黄兴溢教授、鲍华教授合作《AFM》：高导热辐射热制冷绝缘材料

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电力装备散热，建筑制冷以及电子器件的热管理消耗了大量的能源，这进一步加剧了温室气体的排放，影响了人类社会的可持续发展。因此，世界各国的研究者们都在寻找新型、低能耗的冷却技术。

辐射制冷是一种被动制冷方式。其主要是利用地球与外太空（~3 K）之间的大气透明窗口（波长8–13 μm），将地球表面的热量以热辐射的形式发射到外太空这一巨大的冷源之中。这也是维持地球热平衡的一种机制。夜间的辐射制冷现象已经被广泛的观察与利用，如清晨露水的产生，以及古人在沙漠气候环境制冰。然而，辐射制冷现象在白天很少出现，这是因为阳光热量的输入要远远超过辐射制冷量，结果是加热暴露在阳光下的物体。近年来，随着光子学的发展，研究者们通过构建光子晶体结构、聚合物–电介质颗粒杂化超材料、层次多孔结构等光子结构，使材料反射了几乎所有太阳光，且在大气窗口波段有着很强的红外发射率，从而使日间辐射制冷技术得以实现。日间辐射制冷技术为我们提供了一个清洁的、无能耗的冷源，可用于建筑冷却、食品保存、冷链运输等。

问题来了，可以将日间辐射制冷技术应用于户外电力装备、电子设备的热管理吗？与制冷这一应用场景不同，户外电力装备、电子设备不仅要面临阳光热量的输入，其自身还会产生大量的热量。为了使户外电子电力设备维持在较低的工作温度，不仅要阻断其外部热量的输入，还需要将其内部热量快速传导、耗散。这就对现有的辐射制冷材料提出了新的要求，即，高导热率（低热阻）。然而，传统的辐射制冷材料不仅不具备高导热率，甚至是具有超低导热率的隔热保温材料。这是因为，为了实现辐射制冷材料的超高的阳光反射率，通常需要构建聚合物-光散射体复合体系，而聚合物与常用的光散射体（如SiO₂, BaSO₄, CaCO₃等球形介电颗粒或孔洞等）的导热率非常低，除此之外，由于这些光学散射体通常折光率低，具有很强的前向散射以及相干散射，因而导致需要增加材料厚度以实现对阳光的高度反射。由此可见，对于传统的辐射制冷材料来说，实现高阳光反射率与低热阻往往是相互制约的（如图1所示）。

图 1 低阳光反射率与高阳光反射率辐射制冷材料传热模型分析。热阻R=L（厚度）/λ（导热率）。

有鉴于此，上海交通大学电气材料与绝缘研究中心黄兴溢教授与密西根学院的鲍华教授紧密合作，开发了一种具有高导热率的辐射制冷绝缘材料，该材料不仅具有高达98%的阳光反射率，可以实现全天辐射制冷效果，且该材料的高导热特性使其可用于户外设备的高效热管理，有效降低器件、装备的工作温度。相关工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”发表在《Advanced Functional Materials》。

通过对多种光散射体的理论计算以及实验，该团队发现h-BN满足制备高导热辐射制冷材料的三个重要特性：

• 1. 具有恰好高于阳光能量的带隙，这使其在阳光波段没有吸收；

• 2. 具有高折光率，这使其与聚合物基体形成较大的折光率差异，有利于提高对阳光的散射效率；

• 3. 具有高导热率，这使其可以有效提升材料整体的导热率。

除此之外，与传统的球形光学散射体不同，h-BN具有独特的2D形状，而散射体形状会显著影响散射行为。通过模拟发现，当光与球形颗粒碰撞时，更多的是发生前向散射，即大部分光被散射后仍在向前传播，没有发生大的方向偏转（图2 g，h）；而当光与2D颗粒碰撞时，背向散射的成分大幅增加，2D颗粒像屏障一样将光反弹回入射方向，从而带来高效的阳光反射（图2 i，j）。这些特性使得h-BN在较低填料含量下就可实现更高的阳光反射率，且使材料整体的导热率大幅提升。

图 2 光学模拟。（a-c）不同尺寸的球形与片形散射体的散射效率；（d-f）等体积球形与片形散射体的散射系数，不对称因子，角加权散射系数；（g-j）等体积球形与片形散射体的极化图与远场散射图。

基于上述理论分析、计算，他们以PDMS为基体，以h-BN为光学散射体，制备了如图3a所示的光子薄膜材料，该材料具有优异的阳光反射率（98%）、红外发射率（90.3%）以及导热率（1.3 W m^-1 K^-1），且能耐受较高的温度（330 ℃），满足辐射制冷以及户外器件热管理的应用需求。

图 3 薄膜的光学与热学性能。（a）所制备的大尺寸薄膜；（b）薄膜的micro-X-ray CT图；（c-e）薄膜的光谱特性以及导热率。

他们对该薄膜进行了长达3天的辐射制冷户外测试，由图4可以看到，薄膜材料在测试期间的温度始终低于环境温度。且在中午阳光最强烈的时候，薄膜依然可以实现~4 ℃的制冷效果。在夜间无阳光热量输入时，薄膜可实现超过10 ℃的制冷效果。

图 4 辐射制冷性能。（a-b）户外实验装置；（c）环境温度与薄膜的温度记录；（d）测试环境的阳光强度与相对湿度记录；（e）制冷温度记录。

当他们给测试装置添加发热源以模拟户外器件、装备的热管理应用时，由图5可以看到，该薄膜与PDMS材料相比，可以将器件内部的温度降低~18 ℃。当与模拟计算的具有优异性能的传统辐射制冷材料相比，该薄膜可以将器件温度降低~7 ℃，这一巨大的温度下降，体现出了高导热率对于将辐射制冷材料用于户外器件热管理的重要意义。为了展示该薄膜材料应用的便捷性，他们将该薄膜贴在阳极氧化铝电子器件表面，与没有贴薄膜的器件相比，在阳光下，该薄膜可以将器件的温度降低2.5 ℃。

图 5 户外热管理性能。（a）无阳光时薄膜与PDMS的降温效果对比；（b）计算得到的薄膜降温效果与其红外发射率与导热率的关系；（c）在户外阳光下的样品温度实验数据与计算数据；（d-f）在电子器件外粘贴薄膜后的散射效果对比。

同时该薄膜好具有良好的户外耐候性、柔韧性、阻燃性，以及具有较低的介电常数（<4）与介电损耗（10^-3），有利于其应用于户外5G通讯设备，不会阻碍信号的传播。

该研究对2D介电纳米片在辐射制冷中的应用提出了新的见解。基于此，通过在柔性聚合物薄膜中引入2D h-BN 散射体制备出了具有优异性能的高导热辐射制冷薄膜。相信，关于2D介电纳米片的新的理解还可推广到辐射制冷之外的光、热管理应用领域。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109542

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