文献前沿丨Nano Energy：Janus结构高导热辐射冷却器用于日间高温冷却

随着第三代半导体技术的发展，5G通信基站、数据中心和智能汽车等户外高热流密度设备日益普及，这些设备在运行过程中会产生大量热量。传统的制冷方式如空调不仅能耗巨大，还会加剧全球能源危机和温室气体排放问题。因此，亟需发展高效、零能耗的被动冷却技术。辐射冷却作为一种无需电力消耗的降温手段，已被广泛研究用于非发热物体。然而，现有材料在应对持续发热设备的冷却方面存在局限，尤其是难以兼顾高热导率与高反射率的结构设计。为解决这一矛盾，本文提出一种具有Janus结构的热导辐射冷却膜，通过引入定向排列的氮化硼纳米片（BNNS）与二氧化硅微球层，实现了高达95.4%的太阳反射率、94.9%的红外发射率以及优异的面内热导率（18.17 W/m·K）。实验证明，该膜可有效降低发热器温度约8°C，展示了其在高温被动散热场景中的应用潜力。相关工作以Thermal conductive radiative cooler enabled by Janus structure for above-ambient daytime cooling发表在Nano Energy期刊。

本文首先设计了一种面向发热设备的热导型辐射冷却器结构，并通过建模分析其热传导与辐射路径，验证了高热导中间层对提升冷却效率的重要性（图1）。接着，作者采用真空辅助自组装方法制备了具有Janus结构的SiO2-BNNS复合膜，并系统表征了其结构组成及光热性能（图2）。随后，通过模拟与实验相结合的方法，深入探讨了BNNS取向结构对散射效率、热导率和红外透过率的影响，明确了有序排列对材料性能提升的机制（图3）。为了进一步增强红外发射性能，作者引入不同粒径的SiO2微球构建散射层，提升了宽带发射率，并评估了材料在变角入射下的反射稳定性（图4）。在热导性能测试中，实验证明Janus结构可实现均匀散热和高效降温，尤其在高温条件下展现出优越的冷却能力（图5）。最后，通过室内绝热腔和户外实地测试验证了该薄膜在不同环境下的辐射冷却效果，显示出其在实际应用中将设备温度降低约8°C的显著能力（图6）。

图1. 高热导与低热导辐射冷却器的设计与模型计算。(a) 两种冷却模式的示意图。(b) 在不同加热时间下，不同冷却模式下辐射冷却器表面温度的计算结果。(c) 在不同加热时间演化过程中，不同冷却模式下辐射冷却器各位置表面温度的计算结果。(d) 表面热辐射冷却功率的计算结果。

图2. SiO2-BNNS 薄膜的制备工艺及光谱性能。(a) SiO2-BNNS 薄膜的制备工艺示意图。(b) 薄膜实物照片。(c-d) 薄膜的扫描电镜（SEM）图像。(e-g) 薄膜的能谱（EDS）图像。(h) 材料的反射率与热发射率光谱。背景中绘制了归一化的太阳辐照度和大气透过率（宁波，中国）。

图3. BNNS层的光学与热导性能。(a) BNNS 层的多重反射机制示意图。(b) 不同转角下的归一化散射效率模拟结果。(c) BNNS 在0°与90°旋转角下的电场分布。(d) BNNS 在0°与90°旋转角下的偏振图。(e) BNNS-CNF 薄膜在填料含量为60%至90%之间的反射率增强系数。(f) BNNS-CNF 薄膜在不同厚度下的面内热导率。(g) BNNS-CNF 薄膜在不同厚度下的红外透过率。

图4. SiO2-BNNS 薄膜的光学性能。(a) 不同薄膜（BNNS-CNF、SiO2-CNF 和SiO2-BNNS，厚度为240 μm）的反射率与发射率。(b) 不同SiO2粒径下SiO2-BNNS 薄膜的发射率。(c) 不同SiO2粒径下的散射系数模拟结果。(d) 不同SiO2粒径下的吸收系数模拟结果。(e) 室内光源加热温度测试装置的示意图。(f) 不同材料（无覆盖、白纸、BNNS-CNF 和SiO2-BNNS 薄膜）覆盖铜片在光照过程中的温度变化。(g) SiO2-BNNS 薄膜的变角反射率光谱。(h) 不同入射角下SiO2-BNNS 薄膜的反射率值。

图5. 不同材料的热导性能测试。(a) 热导型辐射冷却机制示意图。(b) 环形加热测试系统。(c) 三种材料在30、60、90 和120 秒时的红外热成像图。(d) 三种材料覆盖热源后从50°C自然冷却的温度变化。(e) BNNS-CNF 和SiO2-BNNS 薄膜在冷却过程中的温度差值。

图6. SiO2-BNNS 薄膜的绝对辐射功率测试与户外实测。(a) 热辐射冷却功率的测试装置示意图。(b) 热平衡状态下的加热功率。(c) SiO2-BNNS 薄膜的热发射冷却功率及模拟结果。Stefan–Boltzmann 模拟得到的发射率为 ε = 0.95。(d) 户外测试装置示意图。(e) 户外实测中的太阳强度、相对湿度及 CNF 与SiO2-BNNS 薄膜的温差。(f) 户外测试中 CNF、CNF-BNNF 和SiO2-BNNS 薄膜的实时温度变化。

小结：针对当前辐射冷却材料难以同时兼顾高热导率与高光反射率、难以满足持续发热设备散热需求的难题，本文设计并构建了一种具有Janus结构的热导辐射冷却膜。该膜通过真空辅助自组装工艺，将具备高红外发射能力的SiO2微球构建为上层散射层，底层则利用定向排列的氮化硼纳米片（BNNS）形成高热导与多重反射结构。系统研究发现，BNNS的面内取向可显著提升太阳光的后向散射效率与面内热传导性能，实现95.4%的太阳反射率与94.9%的红外发射率，且膜体在120 μm厚度下仍保持18.17 W/m·K的优异面内热导率。结合理论模拟与实测验证，作者揭示了BNNS取向对散射机制的调控作用，同时证实该Janus结构在高温被动散热条件下可有效降低设备温度约8°C。本研究提出了一种兼具光学调控与热导调控的新型复合结构设计，为热导型辐射冷却材料的发展提供了新的思路与结构范式。

论文信息：Zhu B, Qin Y, Li M, Z Zhang, Y Wang, R Yang, K Xu, J Zhang, Y Zhou, Y Guo, X Wang, Z Wu, T Cai, K Nishimura, C T Lin, Y Li*, N Jiang, L Li*, J Yu*. Thermal conductive radiative cooler enabled by Janus structure for above-ambient daytime cooling. Nano Energy, 2025: 111124.

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