高導熱率輻射製冷絕緣材料。黃興溢供圖
■記者 李惠鈺
電力裝備散熱、建築製冷等室外應用對冷卻的需求很高，然而，空調等傳統制冷方法因消耗電力大，進一步加劇溫室氣體排放，因此很難滿足行業需求。
如何實現超低能耗的冷卻？科學家開始將目光聚焦在“輻射製冷”上，這種被動冷卻技術可以反射陽光，並將熱量散發到深空而無需消耗任何能源。
基於該技術，近日，上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心教授黃興溢與該校密西根學院教授鮑華合作，開發出一種具有高導熱率的輻射製冷絕緣材料，這種材料具有高達98%的陽光反射率，可以實現全天輻射製冷效果，其高導熱特性還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。相關研究已發表於《先進功能材料》。
巨大冷源在外太空
輻射製冷是物體透過發射熱輻射降低自身溫度至環境溫度以下的一種新型製冷技術。黃興溢對《中國科學報》解釋說，該技術主要利用了地球與外太空之間的大氣輻射透明視窗。地球上物體的熱輻射可以穿過該大氣視窗，將熱量直接發射到外太空。
“外太空是一個溫度只有3開爾文的巨大冷源，透過與其進行直接換熱，可以將地球上物體的溫度降低到環境溫度以下。”黃興溢說。與傳統制冷技術（如基於壓縮機的主動製冷技術等）相比，輻射製冷技術是一種完全無能耗、無溫室氣體排放的被動製冷技術。
黃興溢表示，傳統制冷技術加劇了溫室氣體的排放，使地球整體溫度升高，又進一步增加了製冷需求，形成惡性迴圈。總的來看，這些製冷系統自身反而會變成熱源。而輻射製冷技術利用材料自發的熱輻射進行製冷，不需要任何能量輸入，是一種低碳環保、具有淨製冷效果的技術。
實際上，夜間的輻射製冷現象早已被廣泛利用，如清晨露水的產生以及古人在沙漠氣候環境製冰等。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遠遠超過輻射製冷量，結果反而加熱了暴露在陽光下的物體。
“在白天實現輻射製冷，需要物體表面具有超高的陽光反射率，以最大限度地減少陽光熱量輸入。”黃興溢補充道。輻射製冷技術有望替代或補充傳統制冷技術，有效降低碳排放，但目前還處於推廣階段。
讓材料實現高導熱率
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）。
黃興溢表示，傳統輻射製冷材料往往具有較低的導熱率，甚至是隔熱的，這使得電力裝備、電子器件內部的熱量難以傳匯出來，因而當其用上這些輻射製冷材料後，不僅沒有降溫效果，甚至還有可能導致內部熱量積聚。
對此，研究人員設計出一種基於填充有聚合物基體的二維六方氮化硼（h-BN）介電奈米板的可擴充套件光子膜。h-BN將獨特的2D形狀與高折射率相結合，具有超高的後向光散射效率，使光子膜同時具有高太陽反射率和低熱阻。
結果表明，與基體相比，光子膜表現出優異的太陽反射率（98%）並具有更強的散熱能力，其在陽光直射下表現出約4攝氏度的低溫冷卻效能，在夜間表現出約9攝氏度的冷卻效能。
“跨越近兩個數量級調控輻射製冷材料的陽光反射率與紅外發射率本就是一件極具挑戰性的事情，我們期望材料在維持這兩個光學效能的同時，還具有高導熱率，這就需要苛刻的光—熱協同設計，對材料的篩選及其結構設計提出了極高的要求。”黃興溢說。
據介紹，研究人員還進行了計算機模擬輔助的材料篩選與設計、大規模材料製備及其微觀結構表徵、72小時輻射製冷實驗、戶外期間熱管理實驗以及有關材料實際應用效能的一些測試，如戶外老化、絕緣性、耐熱性、阻燃性等。
上海交通大學電子資訊與電氣工程學院副院長尹毅評價道，該研究透過計算機模擬輔助，設計、製備了具有高導熱率的輻射製冷絕緣材料，打破了傳統輻射製冷材料實現高陽光反射率與高導熱率的制約，極大拓展了輻射製冷材料的應用領域，為進一步推動輻射製冷技術在戶外電力裝置、電子器件中的熱管理應用做出了開創性貢獻。
進一步拓寬應用場景
據黃興溢介紹，目前，他們已經在實驗室製備出數米長的材料。此外，該材料製備工藝簡單，不需要對現有工業化裝置進行任何改造，就可以進行大規模加工製備。
“對於產業化開發，該材料目前還需解決美學方面的問題，當然，這也是目前所有輻射製冷材料的通病。”黃興溢表示，為了最大限度地反射陽光熱量，材料通常為純白色，任何色彩的引入，都將犧牲一部分製冷效能，如何能在不犧牲製冷效能的同時使材料具有五彩斑斕的顏色，不僅是產業化開發，也是目前科學研究需要解決的難題。
此外，黃興溢指出，該材料所用h-BN填料的單價仍然較高。不過，該填料有效提升了輻射製冷材料的各項效能，拓寬了其應用場景，也極大提升了輻射製冷材料的附加值。
“與現有的輻射製冷材料相比，新材料最大的優勢是具有高導熱率，使其不僅可以用於製冷應用場景，還可應用於戶外電力裝備、電子器件的高效熱管理，這是傳統輻射製冷材料難以實現的。”黃興溢說，“其次，該材料還具有超高的陽光反射率、易規模化加工、填料含量低等優勢，有利於提升材料效能、降低成本。”
據介紹，這種新材料不僅適用於傳統輻射製冷材料的應用場景，如大型會展中心、糧倉、冷鏈物流等，還可以用於戶外電力裝置、電子器件的熱管理，如5G基站、變壓器、資料中心等，並有效提升器件效能、延長其使用壽命，甚至還可能作為航天器的熱控薄膜使用。
來源： 《中國科學報》
