電力裝備散熱，建築製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發展。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。輻射製冷是一種被動製冷方式。其主要是利用地球與外太空（~3 K）之間的大氣透明視窗（波長8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發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。夜間的輻射製冷現象已經被廣泛的觀察與利用，如清晨露水的產生，以及古人在沙漠氣候環境製冰。然而，輻射製冷現象在白天很少出現，這是因為陽光熱量的輸入要遠遠超過輻射製冷量，結果是加熱暴露在陽光下的物體。近年來，隨著光子學的發展，研究者們透過構建光子晶體結構、聚合物–電介質顆粒雜化超材料、層次多孔結構等光子結構，使材料反射了幾乎所有太陽光，且在大氣視窗波段有著很強的紅外發射率，從而使日間輻射製冷技術得以實現。日間輻射製冷技術為我們提供了一個清潔的、無能耗的冷源，可用於建築冷卻、食品儲存、冷鏈運輸等。
問題來了，可以將日間輻射製冷技術應用於戶外電力裝備、電子裝置的熱管理嗎？與製冷這一應用場景不同，戶外電力裝備、電子裝置不僅要面臨陽光熱量的輸入，其自身還會產生大量的熱量。為了使戶外電子電力裝置維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷其外部熱量的輸入，還需要將其內部熱量快速傳導、耗散。這就對現有的輻射製冷材料提出了新的要求，即，高導熱率（低熱阻）。然而，傳統的輻射製冷材料不僅不具備高導熱率，甚至是具有超低導熱率的隔熱保溫材料。這是因為，為了實現輻射製冷材料的超高的陽光反射率，通常需要構建聚合物-光散射體複合體系，而聚合物與常用的光散射體（如SiO2, BaSO4, CaCO3等球形介電顆粒或孔洞等）的導熱率非常低，除此之外，由於這些光學散射體通常折光率低，具有很強的前向散射以及相干散射，因而導致需要增加材料厚度以實現對陽光的高度反射。由此可見，對於傳統的輻射製冷材料來說，實現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製冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導熱率）。
有鑑於此，上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心黃興溢教授與密西根學院的鮑華教授緊密合作，開發了一種具有高導熱率的輻射製冷絕緣材料，該材料不僅具有高達98%的陽光反射率，可以實現全天輻射製冷效果，且該材料的高導熱特性使其可用於戶外裝置的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”發表在《Advanced Functional Materials》。
透過對多種光散射體的理論計算以及實驗，該團隊發現h-BN滿足製備高導熱輻射製冷材料的三個重要特性：1. 具有恰好高於陽光能量的帶隙，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，有利於提高對陽光的散射效率；3. 具有高導熱率，這使其可以有效提升材料整體的導熱率。除此之外，與傳統的球形光學散射體不同，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。透過模擬發現，當光與球形顆粒碰撞時，更多的是發生前向散射，即大部分光被散射後仍在向前傳播，沒有發生大的方向偏轉（圖2 g，h）；而當光與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更高的陽光反射率，且使材料整體的導熱率大幅提升。
圖 2 光學模擬。（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係數，不對稱因子，角加權散射係數；（g-j）等體積球形與片形散射體的極化圖與遠場散射圖。
基於上述理論分析、計算，他們以PDMS為基體，以h-BN為光學散射體，製備瞭如圖3a所示的光子薄膜材料，該材料具有優異的陽光反射率（98%）、紅外發射率（90.3%）以及導熱率（1.3 W m-1 K-1），且能耐受較高的溫度（330 ℃），滿足輻射製冷以及戶外器件熱管理的應用需求。
圖 3 薄膜的光學與熱學效能。（a）所製備的大尺寸薄膜；（b）薄膜的micro-X-ray CT圖；（c-e）薄膜的光譜特性以及導熱率。
他們對該薄膜進行了長達3天的輻射製冷戶外測試，由圖4可以看到，薄膜材料在測試期間的溫度始終低於環境溫度。且在中午陽光最強烈的時候，薄膜依然可以實現~4 ℃的製冷效果。在夜間無陽光熱量輸入時，薄膜可實現超過10 ℃的製冷效果。
圖 4 輻射製冷效能。（a-b）戶外實驗裝置；（c）環境溫度與薄膜的溫度記錄；（d）測試環境的陽光強度與相對溼度記錄；（e）製冷溫度記錄。
當他們給測試裝置添加發熱源以模擬戶外器件、裝備的熱管理應用時，由圖5可以看到，該薄膜與PDMS材料相比，可以將器件內部的溫度降低~18 ℃。當與模擬計算的具有優異效能的傳統輻射製冷材料相比，該薄膜可以將器件溫度降低~7 ℃，這一巨大的溫度下降，體現出了高導熱率對於將輻射製冷材料用於戶外器件熱管理的重要意義。為了展示該薄膜材料應用的便捷性，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 戶外熱管理效能。（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射率與導熱率的關係；（c）在戶外陽光下的樣品溫度實驗資料與計算資料；（d-f）在電子器件外貼上薄膜後的散射效果對比。
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（<4）與介電損耗（10-3），有利於其應用於戶外5G通訊裝置，不會阻礙訊號的傳播。
該研究對2D介電奈米片在輻射製冷中的應用提出了新的見解。基於此，透過在柔性聚合物薄膜中引入2D h-BN 散射體制備出了具有優異效能的高導熱輻射製冷薄膜。相信，關於2D介電奈米片的新的理解還可推廣到輻射製冷之外的光、熱管理應用領域。
全文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109542
