用于环境温度以上散热与阻燃的辐射耦合蒸发冷却水凝胶

论文信息：

Qin Ye, Yimou Huang, Baojian Yao, Zhuo Chen, Changming Shi, Brian W. Sheldon and Meijie Chen, Radiative Coupled Evaporation Cooling Hydrogel for Above-Ambient Heat Dissipation and Flame Retardancy, Nano-Micro Letters 18, 50 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01903-0

研究背景

随着电子设备功率密度的不断提升，高效散热已成为保障设备性能与可靠性的关键挑战。尤其在户外设备如基站、变压器和电子广告牌等直接暴露于阳光下的应用场景中，传统散热方式如空调或风扇不仅能耗高，还会导致制冷剂排放，不利于能源效率与环境可持续性。因此，开发被动式、环保且高效的散热技术显得尤为迫切。辐射冷却（Radiative Cooling，RC）和蒸发冷却（Evaporative Cooling，EC）作为两种典型的被动散热方式，近年来受到广泛关注。RC通过大气长波红外窗口将热量辐射至外太空，具有零能耗的优点，但其冷却功率有限（通常低于150 W/m2），且受湿度、云量和降雨等环境因素影响显著。EC则利用水蒸发吸热的原理，提供较高的冷却功率，但水的太阳吸收性强，在阳光直射下难以有效冷却设备，且被动供水系统也限制了其实际应用。为克服单一冷却方式的局限性，辐射-蒸发耦合冷却（Radiative Evaporative Cooling，REC）技术应运而生。该技术通过同时利用高太阳反射率、高红外发射率和水的潜热释放，显著提升了日间冷却性能。然而，现有研究多集中于亚环境温度下的REC应用，对高于环境温度的散热场景关注不足，尤其是在高工作温度下的被动水循环和防火性能方面仍存在挑战。因此，开发一种集成辐射冷却、蒸发冷却与阻燃功能的一体化材料，对于户外设备的热管理具有重要意义。

研究内容

本文研究设计并制备了一种一体化光子水凝胶（REC hydrogel），由聚电解质PDMAPS、吸湿盐LiCl、六方氮化硼（hBN）纳米片和氧化铝（Al2O3）颗粒组成，旨在实现高于环境温度的高效散热和阻燃功能。该材料通过辐射冷却与蒸发冷却的协同作用，在不同工作负荷和气象条件下实现智能热管理。该REC水凝胶的工作原理如图1所示，图1(a)所示了传统聚合物RC膜在高负荷下因热接触阻力大和易燃性导致的散热性能下降和火灾风险。图1(b)所示为REC水凝胶的复合结构及其多模式冷却策略：日间高负荷时，RC与EC协同作用增强散热；夜间低负荷时，RC辅助吸附大气水分，为日间蒸发冷却提供水源。此外，水凝胶的潜热储存能力使其在吸收热量时不显著升温，从而提升阻燃性能。同时该研究进行了REC散热性能的理论分析，图2(a)-(f)所示通过能量平衡模型分析了REC与纯RC在不同对流系数、加热功率、太阳反射率和LiCl质量分数下的性能差异。结果表明，REC在加热功率为1000 W/m2时可比RC降低52.2 °C的温度变化，显示出显著的散热优势。图2(f)所示进一步表明，LiCl的加入虽降低了蒸发速率，但延长了冷却时间，实现了水循环的平衡。这些理论分析为后续实验提供了重要依据。

图1.辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的工作原理；(a) 用于环境温度以上散热的传统聚合物辐射冷却（RC）薄膜：该薄膜在达到燃点时易起火，导致冷却性能下降；(b) 用于环境温度以上散热的一体化辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶：在日间高负载工况下，处于高环境温度（Tamb）、低相对湿度（RH）环境中的REC水凝胶可最大限度发挥被动散热性能；在夜间低负载工况下，处于低环境温度（Tamb）、高相对湿度（RH）环境中的REC水凝胶，能通过辐射冷却辅助的吸附作用从大气中收集水分，为水循环提供保障。

图2.辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的工作原理；基于辐射耦合蒸发冷却（REC）的散热性能理论分析；(a) 辐射冷却（RC）与辐射耦合蒸发冷却（REC）的热流示意图；(b) 不同对流换热系数（hc）下理想RC与REC的温度变化（环境温度Tamb=35 °C、相对湿度RH=30%、加热功率Pheating=1000 W·m-2）；(c) 不同加热功率（Pheating）下理想RC与REC的温度变化（环境温度Tamb=35 °C、相对湿度RH=30%、对流换热系数hc=8W·m−2·K−1）；(d)理想辐射耦合蒸发冷却（REC）系统中不同加热功率（Pheating）下的潜热功率（Platent）与辐射冷却（RC）功率（Prad-Patm）（环境温度Tamb=35 °C、相对湿度RH=30%、对流换热系数hc=8 W·m−2·K−1）；(e)不同太阳反射率下REC的温度变化（环境温度Tamb=25 °C)、相对湿度RH=30%、对流换热系数hc=8 W·m−2·K−1、加热功率Pheating=1000 W·m-2）；(f) 不同氯化锂（LiCl）质量分数下REC的质量与温度变化（环境温度Tamb=25 °C、相对湿度RH=30%、对流换热系数hc=8 W·m−2·K−1、加热功率Pheating=1000 W·m-2）。

然后本文研究进行了REC水凝胶的制备与表征。其制备过程为以双离子水凝胶PDMAPS 为大气水收集介质，将hBN、Al2O3和LiCl盐融入其中制备REC水凝胶。具体步骤为：将7 g DMAPS粉末与3 g去离子水、0.64 g hBN和0.22 g Al2O3混合，待完全溶解后，加入0.06 g引发剂APS和70 μL交联剂PEGDA，超声处理5分钟后，在约60 ℃下聚合12小时。将得到的水凝胶在去离子水中浸泡12小时以去除未反应物质，获得纯PDMAPS水凝胶，随后将其在4M LiCl溶液中浸泡约24小时，使LiCl嵌入其中，如图3(a)所示。

其结构与成分表征为制备的REC水凝胶呈现均匀的白色，元素分布均匀，扫描电子显微镜（SEM）图像显示其具有多孔结构（图3(b)所示），该结构增大了水凝胶与空气的接触面积，有利于水分的储存、捕获与释放，优化了蒸发冷却性能。X射线衍射（XRD）结果显示样品中存在hBN和Al2O3的特征峰，无LiCl晶体特征峰，表明LiCl以配位盐形式存在。傅里叶变换红外（FTIR）光谱中，1033cm-1和1164cm-1处的峰对应S=O的对称和不对称伸缩振动，962cm-1处为-C=C-基团，1472cm-1处为-CH2-基团，1375cm-1处为-CH3基团，表明水凝胶内部存在强相互作用。

其光学性能表征为在水含量为20wt%时，随着hBN质量分数从0增加到6wt%，水凝胶的太阳反射率（`Rsolar）从0.074大幅提升至0.808，而长波红外发射率（`eLWIR）因聚合物和水的本征吸收变化较小。Al2O3颗粒的加入对太阳反射率影响较小，但会因非吸湿性颗粒含量增加而降低水分捕获性能，不过它能改善光子水凝胶的机械性能，提升其拉伸性。当水凝胶厚度从3 mm增加到9 mm（水含量20%）时，太阳反射率仅从0.806轻微增加到0.839，长波红外发射率无明显变化；随着水含量从10 wt%增加到80 wt%，由于水的本征吸收，太阳反射率从0.851下降到0.627，长波红外发射率仍无显著变化。在hBN质量分数为6 wt%、Al2O3质量分数为2 wt%且水含量为5 wt%的条件下，REC水凝胶的太阳反射率达到0.872，长波红外发射率为0.937（图3(c)所示），具备良好的辐射冷却性能。

其热性能与物理特性表征为热重分析（TGA）结果显示，当温度升至150 ℃时，REC水凝胶的固体含量降至约20%，表明其含水量高达约80%，具备良好的储水能力（图3(d)所示）。差示扫描量热法（DSC）测试表明，REC水凝胶中水的潜热虽从纯水的2389J·g-1降至2169J·g-1，但仍远高于常见的相变材料或辐射冷却材料（图3(e)所示）。此外，由于官能团和氢键的作用，REC水凝胶能紧密贴合玻璃、铁、木材、铝等多种基材表面，具有较强的附着力和良好的稳定性（图3(f)所示）。

图3.一体化辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的表征；(a) 用于辐射耦合蒸发冷却（REC）的一体化水凝胶示意图，包含聚合物链、散射体六方氮化硼（hBN）、三氧化二铝（Al2O3）颗粒及吸附剂氯化锂（LiCl）；(b)辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶上表面的光学图像与扫描电子显微镜（SEM）图像；(c)含水量为5 wt%（质量分数）的辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的光谱反射率图；背景分别为归一化太阳辐照度（黄色）与大气透射窗口（青色）；(d) 辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的热重分析（TGA）曲线；(e)用于评估潜热的纯水与辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶中水分的差示扫描量热（DSC）曲线；(f)辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶附着于不同基材（包括玻璃、铁、木材和铝）表面的光学图像。

本文研究又进行了REC水凝胶的室内性能测试。其中散热性能测试为在室内无阳光环境下，利用恒温恒湿箱控制环境温度（Tamb）和相对湿度（RH），通过加热器模拟设备不同负载功率。当加热器功率为510 W·m-2时，在REC水凝胶涂层作用下，加热器工作温度在6小时内从59.7 ℃快速降至40.3 ℃，这主要得益于水蒸发释放的潜热（图4(a)所示）。加入LiCl后，REC水凝胶初期温度上升幅度相对较大，这是因为LiCl在一定程度上削弱了蒸发冷却效果，但在相同含水量下，其蒸发冷却性能可持续更长时间。在相同总蒸发质量下，含LiCl的REC水凝胶温度上升幅度最小，仅为37.6 ℃，比纯PDMAPS水凝胶低2.7 ℃（图4(b)所示）。

其中水凝胶厚度对散热性能有显著影响。厚度过薄（3 mm）会导致长期工作时水分不足，蒸发质量减少，散热性能变差（图4(c)所示）；厚度过厚（10 mm）则会增加热阻（Rt=d/λ，其中热导率λ=0.484W·m-1·K-1），使得工作温度相对较高，蒸发质量也较少（图4(d)所示）。综合考虑水分含量和热阻因素，确定6 mm为最优水凝胶厚度，在此厚度下，水凝胶能在相同条件下保持相对较低的工作温度。

其中加热功率影响为当加热功率从510W·m-2增加到1020W·m-2时，REC水凝胶的工作温度从37.6 ℃升高到59.7 ℃，但由于蒸发质量增加和向环境的辐射散热增强，温度上升幅度得到有效抑制（图4(e)和(f)所示），表明设计的REC水凝胶通过多模式冷却策略实现了优异的散热性能。

其中水分捕获与循环性能测试为水分捕获性能主要受环境温度、相对湿度和加热功率影响。在环境温度25 ℃、相对湿度90%、加热功率100 W·m-2的条件下，经过12小时的水分捕获，REC水凝胶达到了饱和水分捕获量的62%。环境温度升高有利于水分捕获，当温度从15 ℃升高到35 ℃时，水分捕获速率从0.043 kg·m-2·h-1增加到0.132 kg·m-2·h-1（图5(a)所示），这是因为高温下空气中饱和蒸气压增大，而饱和水分捕获量仅从4.34 kg·m-2轻微增加到4.50 kg·m-2。相对湿度的提升对水分捕获也有积极作用，当相对湿度从30%增加到90%时，水分捕获速率从0.019 kg·m-2·h-1提高到0.217 kg·m-2·h-1（图5(b)所示），饱和水分捕获量从2.29 kg·m-2增加到5.15 kg·m-2。相反，加热功率增大则会抑制水分捕获，当加热功率从100 W·m-2增加到500 W·m-2时，水分捕获速率从0.094 kg·m-2·h-1降至0.026 kg·m-2·h-1（图5(c)所示），因此夜间低负载、高相对湿度的环境更有利于REC水凝胶进行水分捕获。

其中长期稳定性测试为在室内环境下，对REC水凝胶进行15个循环的高负载（1020 W·m-2，持续1小时）和低负载（100 W·m-2，持续1小时）测试，结果显示每个循环内水凝胶的净质量变化为零，即水分的解吸与吸附达到平衡，且工作温度稳定在约63.5 ℃（图5(d)和(e)所示），证明REC水凝胶具有良好的长期稳定性。

同时在环境温度以上散热场景中，阻燃性能至关重要。传统聚合物辐射冷却薄膜由于软化和点火温度较低，在温度过高时易出现热失控并引发火灾（图6(b)所示）。而REC水凝胶通过蒸发冷却释放潜热，吸收热量时自身温度无明显升高，有效避免了火灾风险（图6(a)所示）。在相同酒精灯火焰作用下，SEBS@hBN辐射冷却薄膜在30秒内温度迅速升至335 ℃，而 REC 水凝胶温度仅升至约68 ℃（图6(c)所示）。热红外图像显示，在酒精灯火焰作用下，REC水凝胶（厚度6 mm）在180秒内温度始终维持在约82 ℃（图6(d)所示）。此外，SEBS@hBN辐射冷却薄膜在火焰中几秒内就会起火（图6(e)所示），而REC水凝胶即使添加了介电hBN粒子，在火焰中也无明显火焰产生（图6(f)所示）。增加REC水凝胶的厚度还能提高热阻，增强对基底的保护作用，以木材为基底的测试也证实了这一点（图6(g)所示）。

图4.室内散热性能；(a) 辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶（通过浸泡在4 mol/L氯化锂（LiCl）溶液中引入吸附剂LiCl）、纯REC水凝胶（通过浸泡在纯水中制备，不含LiCl）及纯加热器基底的温度变化；(b) 上述三种样品的质量变化（相对湿度RH=30%、环境温度Tamb=25℃、加热功率Pheating=510 W·m-2、厚度d=6 mm）；(c)不同厚度（d）下REC水凝胶的温度变化；(d) 不同厚度（d）下REC水凝胶的质量变化（相对湿度RH=30%、环境温度Tamb=25℃、LiCl浓度mLiCl=4 mol/L、加热功率Pheating=720 W·m-2）；(e) 不同加热功率（Pheating）下REC水凝胶的温度变化；(f) 不同加热功率（Pheating）下REC水凝胶的质量变化（相对湿度RH=30%、环境温度Tamb=25℃、厚度d=6 mm、LiCl浓度mLiCl=4 mol/L）。

图5.室内水分捕获与循环性能；在夜间低负载工况下，辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶在不同(a) 环境温度Tamb、(b) 相对湿度（RH）、(c) 加热功率Pheating条件下的质量变化（典型参数：相对湿度RH=60%、环境温度Tamb=25℃、加热功率Pheating=100 W·m-2；为评估辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的长期稳定性，对其进行15个循环的高负载（加热功率Pheating=1020 W·m-2，持续1小时）与低负载（加热功率Pheating=100 W·m-2，持续1小时）测试，图中展示了该过程中水凝胶的质量变化与温度变化（测试条件：相对湿度RH=50%、环境温度Tamb=25℃）。

图6.辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的阻燃性能；(a) 辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的阻燃原理示意图；(b) 常见聚合物辐射冷却（RC）薄膜的阻燃相关示意图；(c) 两者在相同酒精灯火焰作用下的实时温度变化；(d) 厚度为6 mm的辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶在相同酒精灯火焰作用下的红外图像；(e) 常见聚合物辐射冷却（RC）薄膜、(f)辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶在火焰作用下的光学图像；(g) 不同厚度的辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶与木材基底结合后，在火焰作用1200秒时的原理示意图及光学图像。

本文研究最后进行了REC水凝胶的户外性能测试，在户外环境中以纯加热器基底和SEBS@hBN辐射冷却薄膜（太阳反射率约0.95，热发射率约0.93）作为参照进行实验。REC水凝胶在真实户外环境中的表现如图7所示，日间高负荷下，REC水凝胶比RC膜低12.0 °C，比纯基材低20.9 °C；夜间低负荷下，水凝胶能有效捕获水分并为日间使用做准备。连续三天的循环实验进一步验证了其在实际气象条件下的可靠性和稳定性。

图7.辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶的户外散热性能；(a) 2024年12月31日日间高负载（加热功率Pheating=1020 W·m-2）工况下，辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶、辐射冷却（RC）涂料及纯加热器基底的实时温度变化；(b) 上述三种样品相对于基底的温差变化（图中包含太阳辐照度、相对湿度（RH）及环境温度数据）；(c) 2025年1月3日夜间低负载（加热功率Pheating=100 W·m-2）工况下，辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶、辐射冷却（RC）涂料及作为基准的加热器基底的实时温度变化；(d) 上述三种样品相对于基底的温差变化；(e) 2025年1月11日至2025年1月12日三天内，初始含水量为10%的辐射耦合蒸发冷却（REC）水凝胶、辐射冷却（RC）涂料及纯加热器基底的全天连续循环性能（日间高负载工况：加热功率Pheating=1020 W·m-2；夜间低负载工况：加热功率Pheating=100 W·m-2）。

结论与展望

综上所述，本研究成功开发了一种具有辐射-蒸发耦合冷却功能的一体化光子水凝胶，实现了高于环境温度的高效散热和显著阻燃性能。通过理论建模与实验验证，研究系统分析了材料在不同工作负荷、气象参数和结构配置下的热管理与水循环性能。主要结论如下：其一为多模式冷却策略的有效性，REC水凝胶在日间高负荷下通过RC与EC的协同作用显著提升散热性能，夜间则通过RC辅助吸附实现大气水分捕获，形成被动水循环；其二为优异的材料性能，水凝胶具备高太阳反射率（0.872）和高红外发射率（0.937），含水量达80%，潜热值接近纯水，且具有良好的机械附着力与稳定性；其三为显著的户外性能优势，户外实验中，REC水凝胶比传统RC膜低12.0 °C，表现出更强的适应性和可靠性；其四为出色的阻燃性能，通过吸收潜热而不显著升温，REC水凝胶有效抑制了火灾风险，在明火测试中表现远优于传统聚合物RC材料。该研究为户外电子设备、光伏面板、电池电站等高温高风险场景提供了一种全新的被动热管理解决方案。