转自洞见热管理
来源 | Advanced Functional Materials
链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202413191
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背景介绍
有效的热管理对于卫星、航天器、望远镜或探测器等空间应用至关重要。在外层空间，航天器与环境之间的热交换主要通过辐射进行，因为在高真空中没有其他传热方式。必须在航天器上使用被称为辐射冷却膜（RCF）或涂层的保护材料，以避免被太阳辐射过热同时将航天器内部产生的内部热量散发到太空中（图1a）。RCF设计的原则是在太阳辐射光谱范围（0.3-2.5μm）内最大限度地提高反射率，同时在中红外（MIR，3-25μm）实现高吸收，根据基尔霍夫辐射定律，这等于发射率（图1b）。需要仔细的材料选择和结构设计，以达到光学性能的最佳平衡，从而确保它们同时具有优异的遮阳和高散热性能。与建筑等室外应用中使用的RCF不同，由于紫外线（UV）辐射、原子氧（AO）腐蚀和极端温度波动的恶劣条件，外层空间的RCF面临着重大挑战。很少有聚合物能够承受这样的环境，这会导致物理和化学变化，从而影响可靠性。聚酰亚胺（PI）和特种含氟聚合物是明显的例外，已被广泛应用于太空应用。市售的PI，即Kapton薄膜，最常用于柔性RCF。这种材料具有高红外发射率，当其背面涂有银反射层时，可以形成基本的RCF。然而，由于Kapton的高度共轭分子结构中存在电荷转移复合物（CTC），这些RCF在眼睛看来呈棕黑色，导致可见光和紫外光的显著吸热。此外，银涂层容易损坏，包括潜在变形引起的裂纹或缺陷。人们一直在努力通过化学修饰分子结构来改善PI的光学性能。这主要包括在分子结构中引入脂环族基团、强电负性组分以及不对称和扭曲的刚性取代基，这可以抑制CTC的形成并降低光吸收。此外，研究表明，通过结构设计和调节，具有微米和纳米结构的柔性薄膜可以在不需要金属反射层的情况下实现高反射率。这些结构包括多孔结构、基于光纤的光子结构、和随机分布粒子结构。其中，基于光纤的光子结构可以通过静电纺丝大规模生产，在结构和材料定制方面具有显著优势。它们已经应用于各种辐射冷却应用，包括个人热管理、可穿戴设备、热电发电、和室内除湿。值得探索的是，化学修饰的PI如何与精心设计的纳米纤维结构相结合，以实现有效的RCF（图1c）。02
成果掠影
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近日，上海交通大学赵其斌、范同祥团队针对辐射冷却膜（RCF）但其光学性能目前受到其结构和短波长固有高吸收的限制的问题取得最新进展。在这项研究中，开发了一种使用在分子和微观水平上优化的电纺聚酰亚胺纳米纤维的新型RCF。新设计的聚酰亚胺分子显著降低了可见光和紫外线（UV）的吸收，同时在红外光谱中保持了优异的热辐射性能。通过蒙特卡洛模拟优化纳米纤维的直径和取向，所得薄膜的太阳反射率为99.6%，中红外发射率为0.93。其物理结构和光学性质在暴露于紫外光、原子氧和极端温度变化下保持稳定。进一步的真空辐射冷却测试表明，该薄膜的热平衡温度比目前航天器中使用的基于卡普顿的RCF低约28°C。这些结果为为空间应用创造高效的热管理材料提供了一种新方法，有可能在建筑、电子设备和户外设备中得到更广泛的应用。相关研究成果以“Molecularly and Structurally Designed Polyimide Nanofiber Radiative Cooling Films for Spacecraft Thermal Management”为题发表于国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。03
图文导读
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图1（a）航天器在空间环境中面临的热和极端环境图示。（b）反射率光谱（红线）和发射率光谱（蓝线）（c）es-HBPI薄膜作为空间环境RCF的图示，展示了其高效的辐射冷却性能和抗紫外线、AO和交替高温和低温的能力。（d）HBPI的分子结构。（e）分层设计的es-HBPI薄膜的照片和SEM图像。（f）874 μm厚的es-HBPI薄膜和Kapton/Ag薄膜之间300K标准化ASTM E-490 AM0标准太阳光谱中的实验反射率（红线）和黑体辐射光谱中的发射率（蓝线）的比较。![]()
图2（a）本研究中使用的单体的分子结构以及具有不同单体的PI的分类。（b）PI薄膜的制备过程。（c）本研究中PI系统的吸收特性比较。（d）HPMDA/ODA、HPMDA/TPEQ、HPMDA/BAPP和HPMDA/HFBAPP的固有粘度、伸长率和拉伸强度的比较。（e）HBPI的复光谱折射率（n+iκ），说明太阳区的吸光度可以忽略不计，MIR区的多个消光峰。![]()
图3（a）es-HBPI薄膜静电纺丝制备图示。（b）MC计算过程图示。（c）通过MC模拟计算厚度为100 μm的具有不同纤维直径和取向的es-HBPI薄膜的R̄太阳能。（d）使用MC 模拟计算不同光纤直径下σ为20°的 es-HBPI薄膜的光谱反射率。（e）使用MC模拟计算300 nm纤维直径es-HBPI薄膜在不同纤维取向下的光谱反射率。（f）具有四种不同纤维直径的es-HBPI薄膜的SEM 照片。（g）es-HBPI薄膜的纤维直径分布，从 SEM 照片中统计分析。（h）不同纤维直径的 es-HBPI 薄膜的光谱反射率和加权太阳反射率R̄solar的比较。（i）不同厚度的D290es-HBPI薄膜的反射率和发射率。![]()
图4（a）测试空间辐射冷却性能的真空装置的图示和照片。（b）TORMED/Ag（商用透明PI）薄膜、HBPI/Ag薄膜和Kapton/Ag薄膜的照片图像。（c）在内部热源的关-通-关照射循环中记录Al 板、TORMED/Ag薄膜、HBPI/Ag薄膜、Kapton/Ag薄膜和es-HBPI薄膜的温度变化。（d）薄膜的太阳反射率和中红外发射率的比较。（e）薄膜的热导率比较。（f）在没有内部热源的情况下，薄膜在开关照射循环中记录的温度变化。（g）薄膜在初始系统温度为150K、内部热源为500 W m-2 的太空中冷却过程的有限元模型计算结果。（h）薄膜的净冷却能力。![]()
图 5（a）（i）初始es-HBPI薄膜、es-HBPI薄膜（ii）-196-150 °C 循环20次后，（iii）紫外照射240 h后，以及（iv）AO曝光 6h后的照片。（b）（i）初始es-HBPI薄膜、es-HBPI薄膜（ii）从-196 -150 °C循环20次后，（iii）紫外线照射240h后，以及（iv）AO照射6h后的SEM图像。（c）-196 -150 °C循环20次es-HBPI薄膜的太阳反射保持率。（d）es-HBPI 薄膜和其他由常见聚合物（如 PVDF、PAN 和 TPU）组成的静电纺丝薄膜DMA 结果。（e）在不同紫外线照射持续时间后 es-HBPI 薄膜的太阳反射率保持。（f）Kapton膜、HBPI膜和es-HBPI膜的AO侵蚀产率比较，以及AO曝光前后es-HBPI膜的太阳反射率。（g）es-HBPI薄膜在270°C、280°C和290 °C下热处理2 h后太阳反射率、拉伸强度和伸长率的增加。
