電力裝備散熱、建筑制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(jìn)一步加劇溫室氣體排放，因此很難滿(mǎn)足行業(yè)需求。

　　如何實(shí)現超低能耗的冷卻？科學(xué)家開(kāi)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(wú)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(kāi)發(fā)出一種具有高導熱率的輻射制冷絕緣材料，這種材料具有高達98%的陽(yáng)光反射率，可以實(shí)現全天輻射制冷效果，其高導熱特性還可用于戶(hù)外設備的高效熱管理，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》。

　　高導熱率輻射制冷絕緣材料。黃興溢供圖

　　巨大冷源在外太空

　　輻射制冷是物體通過(guò)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《中國科學(xué)報》解釋說(shuō)，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(guò)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(kāi)爾文的巨大冷源，通過(guò)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?！秉S興溢說(shuō)。與傳統制冷技術(shù)（如基于壓縮機的主動(dòng)制冷技術(shù)等）相比，輻射制冷技術(shù)是一種完全無(wú)能耗、無(wú)溫室氣體排放的被動(dòng)制冷技術(shù)。

　　黃興溢表示，傳統制冷技術(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?lái)看，這些制冷系統自身反而會(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，輻射制冷現象在白天很少出現，這是因為陽(yáng)光熱量的輸入遠遠超過(guò)輻射制冷量，結果反而加熱了暴露在陽(yáng)光下的物體。

　　“在白天實(shí)現輻射制冷，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?！秉S興溢補充道。輻射制冷技術(shù)有望替代或補充傳統制冷技術(shù)，有效降低碳排放，但目前還處于推廣階段。

　　讓材料實(shí)現高導熱率

　　與制冷這一應用場(chǎng)景不同，戶(hù)外電力裝備、電子設備不僅要面臨陽(yáng)光熱量的輸入，其自身還會(huì )產(chǎn)生大量熱量。為了使戶(hù)外電子電力設備維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷外部熱量的輸入，還需要將其內部熱量快速傳導、耗散。這就對現有的輻射制冷材料提出了新的要求，即高導熱率（低熱阻）。

　　黃興溢表示，傳統輻射制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導出來(lái)，因而當其用上這些輻射制冷材料后，不僅沒(méi)有降溫效果，甚至還有可能會(huì )導致內部熱量積聚。

　　對此，研究人員設計出一種基于填充有聚合物基體的二維六方氮化硼（h-BN）介電納米板的可擴展光子膜。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。

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

　　“跨越近兩個(gè)數量級調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)，還具有高導熱率，這就需要苛刻的光—熱協(xié)同設計，對材料的篩選及其結構設計提出了極高的要求?！秉S興溢說(shuō)。

　　據介紹，研究人員還進(jìn)行了計算機模擬輔助的材料篩選與設計、大規模材料制備及其微觀(guān)結構表征、72小時(shí)輻射制冷實(shí)驗、戶(hù)外期間熱管理實(shí)驗以及有關(guān)材料實(shí)際應用性能的一些測試，如戶(hù)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(cháng)尹毅評價(jià)道，該研究通過(guò)計算機模擬輔助，設計、制備了具有高導熱率的輻射制冷絕緣材料，打破了傳統輻射制冷材料實(shí)現高陽(yáng)光反射率與高導熱率的制約，極大拓展了輻射制冷材料的應用領(lǐng)域，為進(jìn)一步推動(dòng)輻射制冷技術(shù)在戶(hù)外電力設備、電子器件中的熱管理應用做出了開(kāi)創(chuàng )性貢獻。

　　進(jìn)一步拓寬應用場(chǎng)景

　　據黃興溢介紹，目前，他們已經(jīng)在實(shí)驗室制備出數米長(cháng)的材料。此外，該材料制備工藝簡(jiǎn)單，不需要對現有工業(yè)化設備進(jìn)行任何改造，就可以進(jìn)行大規模加工制備。

　　“對于產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，該材料目前還需解決美學(xué)方面的問(wèn)題，當然，這也是目前所有輻射制冷材料的通病?！秉S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(kāi)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(guò)，該填料有效提升了輻射制冷材料的各項性能，拓寬了其應用場(chǎng)景，也極大提升了輻射制冷材料的附加值。

　　“與現有的輻射制冷材料相比，新材料最大的優(yōu)勢是具有高導熱率，使其不僅可以用于制冷應用場(chǎng)景，還可應用于戶(hù)外電力裝備、電子器件的高效熱管理，這是傳統輻射制冷材料難以實(shí)現的?！秉S興溢說(shuō)，“其次，該材料還具有超高的陽(yáng)光反射率、易規?；庸?、填料含量低等優(yōu)勢，有利于提升材料性能、降低成本?！?/p>

　　據介紹，該材料不僅適用于傳統輻射制冷材料的應用場(chǎng)景，如大型會(huì )展中心、糧倉、冷鏈物流等，還可以用于戶(hù)外電力設備、電子器件的熱管理，如5G基站、變壓器、數據中心等，有效提升器件性能、延長(cháng)其使用壽命，甚至還可能作為航天器的熱控薄膜使用。