东华大学AFM：高性能辐射冷却光子薄膜突破高温应用瓶颈

随着全球温室气体排放持续增加与能源短缺问题日益严峻，高效冷却技术已成为实现可持续发展的重要途径。传统冷却系统如空调占全球建筑用电约10%，进一步加剧温室效应。被动辐射冷却（PRC）技术，尤其是日间被动辐射冷却（PDRC），通过利用地球表面（约300 K）与外太空（约3 K）之间的巨大温差，在无需外部能量输入的情况下，通过大气透明窗口（8–13 μm）将热量以红外辐射形式散发至太空，实现高效环保的冷却。然而，当前辐射冷却材料多适用于常温环境，如个人热管理和建筑节能，而在高温场景（如汽车发动机80–120°C、通信基站70–80°C、化工设备150–200°C）下面临热稳定性不足、导热性能差等挑战，难以实现有效冷却。

近日，东华大学李克睿研究员、侯成义研究员合作，成功研制出一种具有增强导热性和高温稳定性的高性能光子薄膜，为高温环境下的辐射冷却提供了创新解决方案。该薄膜以可熔融加工的全氟烷氧基（PFA）聚合物为基体，嵌入二维六方氮化硼（h-BN）介电纳米片，不仅在200°C高温下保持长期稳定性，还具有优异的导热性能，显著提升高温设备散热效率。实验表明，该薄膜在太阳波段反射率高达97.36%，中红外发射率为86%，在8000 W/m²加热条件下可实现最高30°C的降温效果。相关论文以“High-Performance Photonic Films with Enhanced Thermal Conductivity and High-Temperature Stability for Radiative Cooling”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队通过球磨和热压工艺制备出BN-PFA复合光子薄膜，其微观结构显示h-BN纳米片均匀分布（图1b），粒径集中在400–600 nm（图1c），与太阳可见光谱匹配，基于米氏散射理论实现高效太阳光散射。X射线衍射（XRD）和红外光谱（图1d）证实材料中PFA与BN的晶体结构和化学键特征。该薄膜在太阳波段反射率达97.36%，中红外发射率为86%（图1e），在大气窗口8–13 μm波段表现出高发射率（图1f），夜间可实现约7°C的冷却效果。理论计算显示，其夜间净冷却功率可达116.17 W/m²（图1g）。

图1. 光子薄膜的应用场景、光谱特性与冷却效果。

高温稳定性测试表明，该光子薄膜的热分解起始温度超过600°C，熔点为313°C（图2a,b），远优于常见辐射冷却聚合物如PDMS、PVDF、PMMA等（图2c）。在200°C热台上持续放置一周后，其机械性能与太阳反射率几乎无变化（图2e），且具备阻燃特性（图2f），在酒精灯火焰下30秒仍不燃烧。

图2. 光子薄膜的长期耐高温性与热稳定性测试。

导热性能测试显示，随着h-BN体积分数增加，复合材料导热率逐步提升，在40%体积分数时达1.25 W/m·K（图3a），在250°C以下保持高于1 W/m·K（图3b），比传统材料高一个数量级。在200°C热源下，光子薄膜表面温度高于纯PFA薄膜（图3c），表明其更高效地将热量从设备内部传导至表面并散发至环境（图3d,e）。在200°C高温环境下，该薄膜比纯PFA薄膜降温近30°C。

图3. 光子薄膜的导热性能测试与展示。

日间亚环境冷却测试中，光子薄膜在800 W/m²太阳辐射下实现低于环境温度的冷却效果（图4c），日间冷却功率计算为81 W/m²（图4d）。在模拟高温设备测试中（8000 W/m²加热功率），光子薄膜比纯PFA薄膜低约30°C（图4e），且优于其他聚合物材料（图4f）。在不同功率加热测试中（2000–3600 W/m²），均表现出显著冷却效果。

图4. 光子薄膜在日间亚环境与高温环境下的冷却性能测试。

实际应用演示中，夏季中午覆盖光子薄膜的铁箱表面温度低于未覆盖箱体，内部温度进一步降低（图5a）。与商用白漆（反射率88%，发射率79.5%）相比，光子薄膜反射率（97%）和发射率（86%）更高，表面温度低约5°C。夜间测试中，光子薄膜通过辐射散热使内部温度降低18°C（图5b）。粘贴在汽车发动机表面后，在18°C环境温度下45分钟内实现最大17°C的冷却效果（图5c）。此外，该薄膜还具备抗紫外线老化（图S20）和疏水性（接触角120°），适用于户外长期使用。

图5. 光子薄膜在不同环境与场景中的热成像与冷却性能测试演示。

总结而言，该研究通过结合PFA的高温稳定性和h-BN的高导热与光学特性，成功开发出适用于高温环境的辐射冷却薄膜，兼具优异的热稳定性、导热性和冷却性能。该材料在汽车发动机、通信基站、化工设备等高温场景中展现出广泛应用潜力，未来有望实现规模化生产，推动辐射冷却技术在高热管理领域的新应用。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！