室外应用对冷却的需求很高，例如建筑物、车辆和通信基站。然而，传统的冷却方法（例如，空调）仅用于建筑物冷却就消耗了全球约10%的电力，从而进一步加剧了温室气体排放。这种恶性循环阻碍了全球的可持续发展战略。辐射冷却是一种很有前途的被动冷却技术，它可以反射阳光并将热量散发到深空而无需任何能源消耗。辐射冷却可以通过大气窗口 (8–13 µm) 自发地将热量散发到外层空间，而不会消耗任何能量或释放CO2，这是地球的主要自冷却途径。目前的研究主要集中在在阳光下将非发热物体（例如水）冷却到低于环境温度。然而，对于实际应用，冷却产生大量热量且温度高于环境温度的室外物体（例如，通信基站和数据中心）仍然是一个挑战。
鉴于此，上海交通大学黄兴溢教授和鲍华教授报告了一种通过使用模拟辅助热光设计将具有高后向散射效率的二维介电纳米板引入聚合物中，制备了可扩展的光子膜。结果表明，介电纳米板可以打破传统辐射冷却器的光反射和热耗散之间的权衡。与基体相比，光子膜表现出优异的太阳反射率（98%）并具有更强的散热能力。它在阳光直射下表现出≈4°C的低温冷却性能，在夜间表现出≈9°C的冷却性能。此外，与阳光下的传统聚合物相比，它还通过降低约18 °C的底层加热器温度来展示显着的高于环境的冷却性能。这项工作报道的介电纳米板为与低于环境和高于环境辐射冷却的光管理相关的应用提供了一种创新策略。相关工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
多功能光子结构的热光设计
作者设计了一种基于填充有聚合物基体的二维六方氮化硼 (h-BN) 介电纳米板的可扩展光子膜。h-BN将独特的2D形状与高折射率相结合，具有超高的后向光散射效率，使光子膜同时具有高太阳反射率和低热阻（图1）。可以通过在聚合物基质中引入尺寸与太阳波长相当的微米或纳米介电粒子来实现介电对比度（图2）。h-BN可以为光子薄膜带来更高的后向散射效率和太阳反射率。除了前所未有的光学特性，h-BN还具有非常高的热导率（>400 W m-1K-1），这可以进一步降低混合光子结构的热阻。基于理论分析和数值模拟，作者确定h-BN作为理想的光散射体来制造具有低于环境和高于环境辐射冷却能力的混合光子结构。
图1带有腔体或h-BN散射体的辐射冷却器的示意图比较
图2板状和球状散射体的光学特性比较
光子薄膜的规模化生产
作者将2Dh-BN纳米板随机引入聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 聚合物基质中。h-BN纳米片的尺寸集中在600和1200 nm之间。作者通过可扩展、高效、低成本的热压方法制造了一个米长的白色光子膜（图3)。由于其结构简单，这种光子薄膜也可以使用其他连续加工方法制备，用于工业规模制造。h-BN纳米片通常均匀分散，大部分沿薄膜平面排列。这有利于为光散射创建丰富的介电对比度界面。作者制造了一系列具有不同厚度和散射负载的光子薄膜。光子膜的太阳反射率首先随着厚度和散射体负载的增加而迅速增加，然后在接近反射率极限时缓慢增加。当散射体的体积分数为40.5%时，光子膜在0.3-2.5 µm波长范围内表现出98%的高反射率和0.89的高红外发射率。
图3光子膜的光学和热学特性
全天低温和高性能超环境辐射冷却
作者进行了为期三天的户外实验，以证明光子膜的全天低温辐射冷却性能。使用的室外实验装置如图4所示。将带有热电偶和下方铝板的样品放置在聚苯乙烯泡沫绝缘样品架上，然后将其放置在丙烯酸（聚（甲基丙烯酸甲酯））箱内并覆盖聚乙烯红外透明挡风玻璃。光子膜在中午≈700 W m-2的最高太阳强度下实现了4 °C的低温冷却效果和63 W m-2的冷却功率。48小时的平均低温冷却温度为7.3 °C。该实验表明，可伸缩光子膜表现出突出的全天低温冷却特性。此外，为了证明高于环境的冷却性能，作者使用硅橡胶加热器来模拟加热的电子设备（图5）。比较了具有较高热红外发射率 (0.92) 和高热阻 PDMS (λ = 0.18 W m-1K-1)的光子膜，以探索热阻的重要作用。在接近 800 W m-2的峰值太阳强度下，与PDMS（其 61%的太阳总反射率是通过下面的白色导热胶带和硅橡胶加热器实现）相比，光子膜带来了≈18 °C的温度下降。
图4连续的低温辐射冷却
图5高于环境的辐射冷却
小结：作者提供了对二维介电纳米板在辐射冷却中的应用的基本见解。因此，2Dh-BN将具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的散射体引入柔性基体中以制造可扩展的光子薄膜，该薄膜具有与最先进的光子结构相当的优异的低温辐射冷却性能。更重要的是，它表现出前所未有的散热和太阳能热屏蔽特性，用于高于环境的辐射冷却。除了前所未有的冷却能力外，大规模生产的光子薄膜还表现出许多基本的实用特性（例如，耐火性、户外抗老化性、电绝缘性和柔韧性），可立即用于住宅和工业应用的高效冷却。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109542
来源：高分子科学前沿
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