东华大学斯阳教授AM：超织物实现宽带红外辐射冷却

随着航天工业的快速发展，航天器热管理系统的改进迫在眉睫。辐射冷却通过电磁波耗散热能，已成为太空热控制的主要途径。然而，传统材料如LaCrO₃虽具备高红外发射率，却在掺杂二价阳离子后出现热稳定性下降、长期使用温度受限等问题，难以满足极端环境下的应用需求。高熵工程虽能提升热稳定性，但其刚性形态和易碎性限制了在柔性热管理材料中的应用。开发兼具高宽带红外发射率、热稳定性和柔性的材料，成为当前航天热管理领域的重大挑战。

近日，东华大学斯阳教授课题组成功开发出一种基于高熵工程和一维诱导成形策略的超织物，用于高效航天器冷却。该材料采用(La₀.₂Y₀.₂Nd₀.₂Gd₀.₂Sr₀.₂)CrO₃高熵铬酸盐纳米纤维，通过多重吸收机制和有序结构设计，实现了出色的热稳定性和宽带红外发射率。织造成织物结构后，该超织物在宽红外波段内具有超高发射率、优异的柔韧性、耐高温性和弯曲结构稳定性。理论模拟表明，与传统冷却系统相比，该超织物具备额外的冷却能力和高冷却功率，显示出在下一代航天器热管理中的巨大潜力。相关论文以“High-Entropy Chromate Metafabric for Broadband Infrared Radiative Cooling”为题，发表在

Advanced Materials

该超织物的设计理念基于分层材料策略，将两种不同晶体结构的无机一维纳米纤维均匀交织。其中，非晶态SiO₂纳米纤维提供超柔性和机械强度，作为结构框架；而高熵铬酸盐纳米纤维则通过元素设计、一维形态和晶态-非晶界面优化，实现优异的光谱响应和亚柔性。通过有限时域差分模拟发现，纳米颗粒在近红外入射下呈现三维散射，而纳米纤维由于一维圆柱几何结构，将散射限制在垂直于纤维轴的平面内，形成二维衍射模式，从而显著提升红外发射率。此外，高熵设计引入的晶格畸变、氧空位和多元素协同效应，进一步增强了全波段红外吸收能力。

图1：超织物的设计原理与形貌 a) 超织物的分层结构设计示意图。 b) 纳米颗粒的三维散射示意图及不同截面下的坡印廷矢量分布的FDTD模拟结果。 c) 纳米颗粒在300 nm截面处的坡印廷矢量分布等高线图。 d) 纳米纤维的平面散射示意图及不同截面下的坡印廷矢量分布的FDTD模拟结果。 e) 纳米纤维在300 nm截面处的坡印廷矢量分布等高线图。 f) 相同尺寸（500 nm）下纳米颗粒与纳米纤维的散射系数计算比较。 g) 高熵铬酸盐纳米纤维在原子尺度上的多元素晶格畸变与丰富声子散射示意图。 h) 超织物的场发射扫描电子显微镜图像（蓝色：SiO₂纳米纤维；绿色：高熵铬酸盐纳米纤维）。 i) 单根高熵铬酸盐纳米纤维的元素分布图。 j) 大尺寸超织物的光学图像。 k) 展示超织物柔性的光学图像。

在红外发射机制方面，高熵铬酸盐纳米纤维通过A位多元素掺杂引发强烈晶格畸变，促进声子振动和电子跃迁，从而拓宽红外发射带宽。几何相位分析和X射线光电子能谱证实了晶格应力不均匀和氧空位的存在，这些缺陷态提供了额外的电子跃迁通道，增强了载流子浓度和声子散射。第一性原理计算显示，高熵组成材料的吸收系数显著高于传统LaCrO₃和Sr掺杂样品。模拟结果进一步表明，纳米纤维结构在近红外和短波红外波段具有更强的定向散射和吸收能力，而SiO₂纳米纤维通过丰富的Si–O键在中红外波段提供互补吸收，协同提升超织物的整体发射性能。

图2：高熵铬酸盐纳米纤维的高红外吸收/发射工程与机制 a) LaCrO₃、La₀.₈Sr₀.₂CrO₃和(La₀.₂Y₀.₂Nd₀.₂Gd₀.₂Sr₀.₂)CrO₃的Cr–O键长比较。 b) (La₀.₂Y₀.₂Nd₀.₂Gd₀.₂Sr₀.₂)CrO₃的高分辨率TEM观察与几何相位分析测量结果。 c) (La₀.₂Y₀.₂Nd₀.₂Gd₀.₂Sr₀.₂)CrO₃的O和Cr的XPS光谱。 d) (La₀.₂Y₀.₂Nd₀.₂Gd₀.₂Sr₀.₂)CrO₃的温度-电阻曲线的TAC与ASPH模型拟合。 e) LaCrO₃、La₀.₈Sr₀.₂CrO₃和(La₀.₂Y₀.₂Nd₀.₂Gd₀.₂Sr₀.₂)CrO₃的吸收系数模拟。 f) 纳米颗粒在0.7、1.5和2.5 μm波长红外光入射下的坡印廷矢量分布模拟图。 g) 不同尺寸和波长下高熵铬酸盐纳米颗粒、纳米纤维和SiO₂纳米纤维的吸收率模拟。 h) 尺寸为500 nm的高熵铬酸盐纳米颗粒与纳米纤维的吸收系数模拟比较。 i) 超织物与含高熵铬酸盐纳米颗粒的复合聚合物薄膜的吸收率模拟比较。

为实现柔性设计，研究团队引入非晶态SiO₂纳米纤维作为柔性骨架，并在高熵铬酸盐纳米纤维中引入非晶滑移区域。分子动力学模拟显示，非晶区域在弯曲过程中能有效分散应力，防止裂纹产生。通过调控纺丝工艺参数，优化SiO₂纳米纤维比例至50%，超织物展现出极低的弯曲刚度，并能在包裹不规则物体时显著降低应力集中。三点弯曲和循环弯曲测试表明，该材料在60%应变下经历万次循环后仍保持结构完整，仅产生6%的永久变形，展现出卓越的机械耐久性和宽温域稳定性。

图3：单根纳米纤维与超织物的机械性能分析 a) SiO₂纳米纤维的高分辨率TEM图像及其快速傅里叶变换图像。 b) SiO₂纳米纤维的分子动力学模拟，展示单根纤维的三点弯曲过程。 c) 高熵铬酸盐纳米纤维的高分辨率TEM图像及其快速傅里叶变换图像。 d) 高熵铬酸盐纳米纤维的分子动力学模拟，展示单根纤维的三点弯曲过程。 e) 单根高熵铬酸盐纳米纤维弯曲机制示意图。 f) 高熵铬酸盐薄膜、高熵铬酸盐纳米纤维膜与超织物的弯曲刚度比较。 g) 高熵铬酸盐薄膜与超织物在包裹立方体和球体时的应力分布模拟。 h) 超织物在不同应变下的三点弯曲应力-应变曲线（插图为弯曲超织物的有限元分析模拟）。 i) 循环三点弯曲下的应力-应变曲线（插图为弯曲超织物的光学图像和FE-SEM显微图）。

在航天器热管理应用中，该超织物在0.7–15 μm宽带范围内的发射率高达97.1%，并在全半球范围内保持稳定。在高真空环境下，其冷却功率可达2022.5 W·m⁻²，远超传统材料。即使在极端高低温交替和弯曲循环条件下，其红外发射率和结构完整性仍保持稳定。热管理性能模拟显示，该超织物能将航天器表面温度从1573 K冷却至600 K的时间减半，并在2000秒后实现61.6 K的额外降温，表现出卓越的被动辐射冷却能力。

图4：超织物在航天器热管理中的应用 a) 高真空环境下航天器热管理应用示意图及材料性能比较。 b) SiO₂纳米纤维膜、高熵铬酸盐纳米纤维膜与超织物的光谱发射率。 c) 仅考虑辐射传热时，超织物在不同温差下的冷却功率计算。 d) 在低温（≈100 K）和高温（≈1573 K）条件下经过弯曲循环后的红外发射率变化。 e) 现有红外发射材料的发射率与使用温度性能比较图（黑色方块代表块体；蓝色三角代表颗粒；绿色圆点代表薄膜）。 f) SiO₂纳米纤维膜与超织物在最高温度1573 K下的热管理性能模拟温度-时间变化曲线（插图为热管理性能模拟模型示意图）。

综上所述，该高熵铬酸盐超织物成功融合了高宽带红外发射率、优异热稳定性和出色柔韧性，克服了传统刚性材料和聚合物复合材料的局限，为极端环境下的航天器热管理提供了创新解决方案。该研究不仅填补了高熵材料在柔性应用领域的空白，也为下一代太空技术材料的开发指明了方向。

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！