電力裝備散熱、建筑制冷等室外應(yīng)用對(duì)冷卻的需求很高，然而，空調(diào)等傳統(tǒng)制冷方法因消耗電力大，進(jìn)一步加劇溫室氣體排放，因此很難滿足行業(yè)需求。

如何實(shí)現(xiàn)超低能耗的冷卻?科學(xué)家開始將目光聚焦在“輻射制冷”上，這種被動(dòng)冷卻技術(shù)可以反射陽(yáng)光，并將熱量散發(fā)到深空而無需消耗任何能源。

基于該技術(shù)，近日，上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心教授黃興溢與該校密西根學(xué)院教授鮑華合作，開發(fā)出一種具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，這種材料具有高達(dá)98%的陽(yáng)光反射率，可以實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷效果，其高導(dǎo)熱特性還可用于戶外設(shè)備的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關(guān)研究已發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。

巨大冷源在外太空

輻射制冷是物體通過發(fā)射熱輻射降低自身溫度至環(huán)境溫度以下的一種新型制冷技術(shù)。黃興溢對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋說，該技術(shù)主要利用了地球與外太空之間的大氣輻射透明窗口。地球上物體的熱輻射可以穿過該大氣窗口，將熱量直接發(fā)射到外太空。

“外太空是一個(gè)溫度只有3開爾文的巨大冷源，通過與其進(jìn)行直接換熱，可以將地球上物體的溫度降低到環(huán)境溫度以下。”黃興溢說。與傳統(tǒng)制冷技術(shù)(如基于壓縮機(jī)的主動(dòng)制冷技術(shù)等)相比，輻射制冷技術(shù)是一種完全無能耗、無溫室氣體排放的被動(dòng)制冷技術(shù)。

黃興溢表示，傳統(tǒng)制冷技術(shù)加劇了溫室氣體的排放，使地球整體溫度升高，又進(jìn)一步增加了制冷需求，形成惡性循環(huán)?？偟膩砜?，這些制冷系統(tǒng)自身反而會(huì)變成熱源。而輻射制冷技術(shù)利用材料自發(fā)的熱輻射進(jìn)行制冷，不需要任何能量輸入，是一種低碳環(huán)保、具有凈制冷效果的技術(shù)。

實(shí)際上，夜間的輻射制冷現(xiàn)象早已被廣泛利用，如清晨露水的產(chǎn)生以及古人在沙漠氣候環(huán)境制冰等。然而，輻射制冷現(xiàn)象在白天很少出現(xiàn)，這是因?yàn)殛?yáng)光熱量的輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過輻射制冷量，結(jié)果反而加熱了暴露在陽(yáng)光下的物體。

“在白天實(shí)現(xiàn)輻射制冷，需要物體表面具有超高的陽(yáng)光反射率，以最大限度地減少陽(yáng)光熱量輸入。”黃興溢補(bǔ)充道。輻射制冷技術(shù)有望替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)制冷技術(shù)，有效降低碳排放，但目前還處于推廣階段。

讓材料實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱率

與制冷這一應(yīng)用場(chǎng)景不同，戶外電力裝備、電子設(shè)備不僅要面臨陽(yáng)光熱量的輸入，其自身還會(huì)產(chǎn)生大量熱量。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(duì)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)。

黃興溢表示，傳統(tǒng)輻射制冷材料往往具有較低的導(dǎo)熱率，甚至是隔熱的，這使得電力裝備、電子器件內(nèi)部的熱量難以傳導(dǎo)出來，因而當(dāng)其用上這些輻射制冷材料后，不僅沒有降溫效果，甚至還有可能導(dǎo)致內(nèi)部熱量積聚。

對(duì)此，研究人員設(shè)計(jì)出一種基于填充有聚合物基體的二維六方氮化硼(h-BN)介電納米板的可擴(kuò)展光子膜。h-BN將獨(dú)特的2D形狀與高折射率相結(jié)合，具有超高的后向光散射效率，使光子膜同時(shí)具有高太陽(yáng)反射率和低熱阻。

結(jié)果表明，與基體相比，光子膜表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽(yáng)反射率(98%)并具有更強(qiáng)的散熱能力，其在陽(yáng)光直射下表現(xiàn)出約4攝氏度的低溫冷卻性能，在夜間表現(xiàn)出約9攝氏度的冷卻性能。

“跨越近兩個(gè)數(shù)量級(jí)調(diào)控輻射制冷材料的陽(yáng)光反射率與紅外發(fā)射率本就是一件極具挑戰(zhàn)性的事情，我們期望材料在維持這兩個(gè)光學(xué)性能的同時(shí)，還具有高導(dǎo)熱率，這就需要苛刻的光—熱協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)材料的篩選及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高的要求。”黃興溢說。

據(jù)介紹，研究人員還進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬輔助的材料篩選與設(shè)計(jì)、大規(guī)模材料制備及其微觀結(jié)構(gòu)表征、72小時(shí)輻射制冷實(shí)驗(yàn)、戶外期間熱管理實(shí)驗(yàn)以及有關(guān)材料實(shí)際應(yīng)用性能的一些測(cè)試，如戶外老化、絕緣性、耐熱性、阻燃性等。

上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院副院長(zhǎng)尹毅評(píng)價(jià)道，該研究通過計(jì)算機(jī)模擬輔助，設(shè)計(jì)、制備了具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，打破了傳統(tǒng)輻射制冷材料實(shí)現(xiàn)高陽(yáng)光反射率與高導(dǎo)熱率的制約，極大拓展了輻射制冷材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為進(jìn)一步推動(dòng)輻射制冷技術(shù)在戶外電力設(shè)備、電子器件中的熱管理應(yīng)用做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

進(jìn)一步拓寬應(yīng)用場(chǎng)景

據(jù)黃興溢介紹，目前，他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室制備出數(shù)米長(zhǎng)的材料。此外，該材料制備工藝簡(jiǎn)單，不需要對(duì)現(xiàn)有工業(yè)化設(shè)備進(jìn)行任何改造，就可以進(jìn)行大規(guī)模加工制備。

“對(duì)于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，該材料目前還需解決美學(xué)方面的問題，當(dāng)然，這也是目前所有輻射制冷材料的通病。”黃興溢表示，為了最大限度地反射陽(yáng)光熱量，材料通常為純白色，任何色彩的引入，都將犧牲一部分制冷性能，如何能在不犧牲制冷性能的同時(shí)使材料具有五彩斑斕的顏色，不僅是產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，也是目前科學(xué)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(jià)仍然較高。不過，該填料有效提升了輻射制冷材料的各項(xiàng)性能，拓寬了其應(yīng)用場(chǎng)景，也極大提升了輻射制冷材料的附加值。

“與現(xiàn)有的輻射制冷材料相比，新材料最大的優(yōu)勢(shì)是具有高導(dǎo)熱率，使其不僅可以用于制冷應(yīng)用場(chǎng)景，還可應(yīng)用于戶外電力裝備、電子器件的高效熱管理，這是傳統(tǒng)輻射制冷材料難以實(shí)現(xiàn)的。”黃興溢說，“其次，該材料還具有超高的陽(yáng)光反射率、易規(guī)?；庸?、填料含量低等優(yōu)勢(shì)，有利于提升材料性能、降低成本。”

據(jù)介紹，這種新材料不僅適用于傳統(tǒng)輻射制冷材料的應(yīng)用場(chǎng)景，如大型會(huì)展中心、糧倉(cāng)、冷鏈物流等，還可以用于戶外電力設(shè)備、電子器件的熱管理，如5G基站、變壓器、數(shù)據(jù)中心等，并有效提升器件性能、延長(zhǎng)其使用壽命，甚至還可能作為航天器的熱控薄膜使用。(記者 李惠鈺)

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