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  電力裝備散熱，建筑制冷以及電子器件的熱管理消耗了大量的能源，這進一步加劇了溫室氣體的排放，影響了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，世界各國的研究者們都在尋找新型、低能耗的冷卻技術(shù)。

  輻射制冷是一種被動制冷方式。其主要是利用地球與外太空（~3 K）之間的大氣透明窗口（波長8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到外太空這一巨大的冷源之中。這也是維持地球熱平衡的一種機制。夜間的輻射制冷現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛的觀察與利用，如清晨露水的產(chǎn)生，以及古人在沙漠氣候環(huán)境制冰。然而，輻射制冷現(xiàn)象在白天很少出現(xiàn)，這是因為陽光熱量的輸入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過輻射制冷量，結(jié)果是加熱暴露在陽光下的物體。近年來，隨著光子學(xué)的發(fā)展，研究者們通過構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)、聚合物–電介質(zhì)顆粒雜化超材料、層次多孔結(jié)構(gòu)等光子結(jié)構(gòu)，使材料反射了幾乎所有太陽光，且在大氣窗口波段有著很強的紅外發(fā)射率，從而使日間輻射制冷技術(shù)得以實現(xiàn)。日間輻射制冷技術(shù)為我們提供了一個清潔的、無能耗的冷源，可用于建筑冷卻、食品保存、冷鏈運輸?shù)取?

  問題來了，可以將日間輻射制冷技術(shù)應(yīng)用于戶外電力裝備、電子設(shè)備的熱管理嗎？與制冷這一應(yīng)用場景不同，戶外電力裝備、電子設(shè)備不僅要面臨陽光熱量的輸入，其自身還會產(chǎn)生大量的熱量。為了使戶外電子電力設(shè)備維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷其外部熱量的輸入，還需要將其內(nèi)部熱量快速傳導(dǎo)、耗散。這就對現(xiàn)有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導(dǎo)熱率（低熱阻）。然而，傳統(tǒng)的輻射制冷材料不僅不具備高導(dǎo)熱率，甚至是具有超低導(dǎo)熱率的隔熱保溫材料。這是因為，為了實現(xiàn)輻射制冷材料的超高的陽光反射率，通常需要構(gòu)建聚合物-光散射體復(fù)合體系，而聚合物與常用的光散射體（如SiO₂, BaSO₄, CaCO₃等球形介電顆�；蚩锥吹龋┑膶�(dǎo)熱率非常低，除此之外，由于這些光學(xué)散射體通常折光率低，具有很強的前向散射以及相干散射，因而導(dǎo)致需要增加材料厚度以實現(xiàn)對陽光的高度反射。由此可見，對于傳統(tǒng)的輻射制冷材料來說，實現(xiàn)高陽光反射率與低熱阻往往是相互制約的（如圖1所示）。

圖 1 低陽光反射率與高陽光反射率輻射制冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導(dǎo)熱率）。

  有鑒于此，上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心黃興溢教授與密西根學(xué)院的鮑華教授緊密合作，開發(fā)了一種具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，該材料不僅具有高達98%的陽光反射率，可以實現(xiàn)全天輻射制冷效果，且該材料的高導(dǎo)熱特性使其可用于戶外設(shè)備的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關(guān)工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。

  通過對多種光散射體的理論計算以及實驗，該團隊發(fā)現(xiàn)h-BN滿足制備高導(dǎo)熱輻射制冷材料的三個重要特性：1. 具有恰好高于陽光能量的帶隙，這使其在陽光波段沒有吸收；2. 具有高折光率，這使其與聚合物基體形成較大的折光率差異，有利于提高對陽光的散射效率；3. 具有高導(dǎo)熱率，這使其可以有效提升材料整體的導(dǎo)熱率。除此之外，與傳統(tǒng)的球形光學(xué)散射體不同，h-BN具有獨特的2D形狀，而散射體形狀會顯著影響散射行為。通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光與球形顆粒碰撞時，更多的是發(fā)生前向散射，即大部分光被散射后仍在向前傳播，沒有發(fā)生大的方向偏轉(zhuǎn)（圖2 g，h）；而當(dāng)光與2D顆粒碰撞時，背向散射的成分大幅增加，2D顆粒像屏障一樣將光反彈回入射方向，從而帶來高效的陽光反射（圖2 i，j）。這些特性使得h-BN在較低填料含量下就可實現(xiàn)更高的陽光反射率，且使材料整體的導(dǎo)熱率大幅提升。

圖 2 光學(xué)模擬。（a-c）不同尺寸的球形與片形散射體的散射效率；（d-f）等體積球形與片形散射體的散射系數(shù)，不對稱因子，角加權(quán)散射系數(shù)；（g-j）等體積球形與片形散射體的極化圖與遠(yuǎn)場散射圖。

  基于上述理論分析、計算，他們以PDMS為基體，以h-BN為光學(xué)散射體，制備了如圖3a所示的光子薄膜材料，該材料具有優(yōu)異的陽光反射率（98%）、紅外發(fā)射率（90.3%）以及導(dǎo)熱率（1.3 W m^-1 K^-1），且能耐受較高的溫度（330 ℃），滿足輻射制冷以及戶外器件熱管理的應(yīng)用需求。

圖 3 薄膜的光學(xué)與熱學(xué)性能。（a）所制備的大尺寸薄膜；（b）薄膜的micro-X-ray CT圖；（c-e）薄膜的光譜特性以及導(dǎo)熱率。

  他們對該薄膜進行了長達3天的輻射制冷戶外測試，由圖4可以看到，薄膜材料在測試期間的溫度始終低于環(huán)境溫度。且在中午陽光最強烈的時候，薄膜依然可以實現(xiàn)~4 ℃的制冷效果。在夜間無陽光熱量輸入時，薄膜可實現(xiàn)超過10 ℃的制冷效果。

圖 4 輻射制冷性能。（a-b）戶外實驗裝置；（c）環(huán)境溫度與薄膜的溫度記錄；（d）測試環(huán)境的陽光強度與相對濕度記錄；（e）制冷溫度記錄。

  當(dāng)他們給測試裝置添加發(fā)熱源以模擬戶外器件、裝備的熱管理應(yīng)用時，由圖5可以看到，該薄膜與PDMS材料相比，可以將器件內(nèi)部的溫度降低~18 ℃。當(dāng)與模擬計算的具有優(yōu)異性能的傳統(tǒng)輻射制冷材料相比，該薄膜可以將器件溫度降低~7 ℃，這一巨大的溫度下降，體現(xiàn)出了高導(dǎo)熱率對于將輻射制冷材料用于戶外器件熱管理的重要意義。為了展示該薄膜材料應(yīng)用的便捷性，他們將該薄膜貼在陽極氧化鋁電子器件表面，與沒有貼薄膜的器件相比，在陽光下，該薄膜可以將器件的溫度降低2.5 ℃。

圖 5 戶外熱管理性能。（a）無陽光時薄膜與PDMS的降溫效果對比；（b）計算得到的薄膜降溫效果與其紅外發(fā)射率與導(dǎo)熱率的關(guān)系；（c）在戶外陽光下的樣品溫度實驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)；（d-f）在電子器件外粘貼薄膜后的散射效果對比。

  同時該薄膜好具有良好的戶外耐候性、柔韌性、阻燃性，以及具有較低的介電常數(shù)（<4）與介電損耗（10^-3），有利于其應(yīng)用于戶外5G通訊設(shè)備，不會阻礙信號的傳播。

  該研究對2D介電納米片在輻射制冷中的應(yīng)用提出了新的見解�；诖耍ㄟ^在柔性聚合物薄膜中引入2D h-BN 散射體制備出了具有優(yōu)異性能的高導(dǎo)熱輻射制冷薄膜。相信，關(guān)于2D介電納米片的新的理解還可推廣到輻射制冷之外的光、熱管理應(yīng)用領(lǐng)域。

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109542