用于局部散热的导热辐射冷却膜
文摘
科学
2024-12-20 09:19
山东
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论文信息：
Q. Ye, X. Y. Chen, H. J. Yan, M. J. Chen, Thermal conductive radiative cooling film for local heat dissipation, Materials Today Physics 50, 101626 (2025).论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101626
辐射冷却通过反射太阳辐射并向寒冷的外层空间发射热辐射来实现无电冷却，近年来引起了人们的广泛关注。然而，如何提高室外柔性器件在高于环境温度下的散热性能仍然是一个挑战。这里设计了一种双层结构，以实现室外柔性器件局部散热的薄而导热的辐射冷却膜，可以通过高的面内导热性能来避免局部受热区域，并且可以通过白天的辐射冷却将热量有效地散发到外部环境。顶层为多孔hBN@PVDF-HFP薄膜(厚度~100µm)实现日间辐射冷却，底层为定向石墨烯薄膜(厚度~30µm)促进面内导热性能，高太阳反射率为0.944，热发射率为0.904，面内热扩散系数为185.7mm2s-1。在阳光照射下，与参考辐射冷却膜相比，在相同的局部加热功率下，设计的辐射冷却膜可将局部工作温度从130.6◦C大幅降低到63.3◦C，在非平坦表面下也表现出良好的局部散热性能。这项工作为开发室外局部散热应用的导热辐射冷却技术提供了一种潜在的途径。
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图1, 由太阳反射器和导热体双层结构组成的薄型柔性导热辐射冷却膜(即所设计的RC膜)室外局部散热示意图。
对于散热应用，首先进行了散热性能的理论分析。在图(2a)的非局部散热条件下，讨论了一种理想的无任何太阳能吸收的选择性宽带发射极(图2b),净冷却功率Pnet由于P~T的作用，随着工作温度T的增加而增大。而对于没有加热器的亚环境冷却，由于Patm吸收的辐照功率较少，因此选择发射率更好(图2c)。例如，选择性发射体的最大温度下降可达60.5◦C，而宽带发射体的最大温度下降仅为20.3◦C。在有加热器的环境上方散热情况下，宽带发射极由于T>Tatm的作用而向大气散发热量，有利于降低工作温度(图2d)。例如，在500Wm-2加热功率下，宽带发射度的工作温度为77.2◦C，而选择发射度大于120◦C。这些结果表明，辐射冷却可以有效地降低宽带发射极户外器件的工作温度。除了光谱调节外，通过提高导热系数或减小RC膜厚度来降低工作温度也引起了人们的广泛关注。通常情况下，RC膜的厚度在100~1000µm之间，由于这种厚度下的热阻较低，增加膜的面外导热系数或减小膜的厚度，其工作温度变化不大(图2e和f)。例如，当膜的面外导热系数从0.1W增加到0.8Wm-1K-1时，工作温度仅从78.7降至77.4◦C。当厚度从100增加到1000µm时，工作温度仅从77.3增加到78.2◦C。因此，在如此薄的厚度范围内，面外热阻对RC的散热性能影响不大。
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图2, 非局部散热性能的理论分析。(a)RC室外非局部散热示意图。(b)RC的理想选择性光谱发射率(RC的理想选择性光谱发射率(RC的理想选择性光谱发射率(RC的理想选择性光谱发射率(RC的理想选择性光谱发射率)为1，(RC的理想选择性光谱发射率)为8−13µm，(RC的理想选择性光谱发射率)为1，(RC的理想选择性光谱发射率)为2.5µm。(c)不带加热器和(d)带加热器的RC净冷却功率(功率=500Wm-2)，这里太阳反射率为1，热发射率如(b)所示。不同(e)导热系数和(f)膜厚下RC膜在加热功率为100、500和1000Wm-2下的工作温度，其中环境温度为25◦C。(e)的厚度为300µm，(f)的导热系数为0.5Wm-1K-1。
在实际应用中，局部散热对于器件的正常工作至关重要，因为高功率密度会增加热失控的风险(图3a和b)。如上所述，面外导热系数对散热的工作温度影响很小，当从0.1W增加到2Wm-1K-1时，最大温度仅下降0.5◦C(图3c)。由于热辐射与AT成正比，面内导热系数可以极大地促进局部散热性能。当面内导热系数从1W增加到100Wm-1时，最大工作温度从354.9降低到38.6◦CK-1(图3d)。在高面内导热系数下，局部热量很容易扩散到整个RC膜进行散热，不会出现明显的局部高温现象(图3e)。而整体散热的最低工作温度略有升高。另外，当RC膜与加热器的长度比开始增大时，降温效果特别明显，之后降温幅度逐渐减小(图3f)。例如，当长度比从2增加到10时，最大温度从221.2迅速下降到38.5◦C，当该比进一步增加到40时，它才下降到27.7◦C。这些理论结果表明，高的面内导热系数可以通过向整个薄膜扩散热量来避免局部加热，并且由于P~AT4的作用，可以通过增大薄膜面积来进一步降低局部温度。光谱辐射和导热性能的协调调节可以极大地增强局部散热性能。
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图3, 局部散热性能理论分析。(a)、(b)RC室外局部散热示意图。这里的RC薄膜和加热器是方形的。(c)不同面外导热系数下RC膜的最高和最低工作温度。其中面内导热系数为100Wm-1K-1，加热功率为1w,1x1cm2，RC膜为10x10cm2。(d)不同面内导热系数下RC膜的最高和最低工作温度，(e)膜的温度分布云图。这里的面外导热系数为0.1Wm-1K-1，加热功率为1w在1x1cm2，RC膜为10x10cm2。(f)不同RC膜与加热器长度比下RC膜的最高和最低工作温度。这里面外和面内导热系数分别为0.1和100Wm-1K-1，加热功率为1x1cm内1w2。所有薄膜的厚度均为300µm。
为了制备导热RC膜，本文设计了一种调节热辐射和导热性能的双层结构，该结构由底部的石墨烯层和顶部的多孔hBN@PVDF-HFP层组成，用于导热RC膜。混合剂PVDF-HFP和溶剂丙酮(图4a)混合，在石墨烯薄膜上涂覆hBN@PVDF-HFP层。在石墨烯薄膜上涂hBN@PVDF-HFP后，可以看到一种超白的颜色(图4b)，这可以归因于hBN纳米板和空腔在该薄膜中的散射，如SEM图像(图4c)所示。这里选择了石墨烯层(厚度30µm)，因为它具有高的面内热扩散率(699.4mm2s-1)和定向结构，并且在拉曼光谱中可以发现明显的石墨烯的2D和G带(图4d)。与底层的普通聚合物PET相比，设计的双层膜具有更高的面内热扩散率而小于纯石墨烯膜(如图4e)。此外，所设计的RC薄膜具有较高的太阳反射率为0.944，热发射率为0.902(图4f)，远高于纯石墨烯薄膜。这些光谱差异也可以在(图4g)中涂覆白层前后的光学图中观察到。所设计的RC薄膜在不同弯曲状态下也表现出很大的柔韧性(图4h)，这也促进了柔性器件的热管理性能。
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图4, 双层RC膜的实验表征。(a)石墨烯膜上涂hBN@PVDF-HFP涂料制备RC膜示意图。(b)RC薄膜光学图像和(c)SEM图像。(d)底部石墨烯层的拉曼光谱及其截面SEM图像。(e)不同薄膜的面内热扩散系数。(f)设计RC膜(厚度130µm)和石墨烯膜(厚度30µm)的光谱反射率，(g)其光学图像(比例尺:1cm)。(h)设计RC膜在不同弯曲状态下的柔韧性(比例尺:1cm)。 为了进一步了解hBN@PVDF-HFP涂料在所设计薄膜中的光谱辐射调节机制，hBN纳米板在不同介质环境(空气、聚合物和多孔聚合物)中的散射性能如(图5a)所示。与在聚合物或空气中的散射相比，在多孔聚合物中的散射效率由于介电hBN、空气和聚合物PVDF-HFP之间的多界面散射，其强度要大得多。固体PVDF-HFP中的散射产生较弱的散射效率，并且由于介电球和聚合物的折射率相似，因此通常添加金属反射器来增强太阳反射率。此外，多孔聚合物中的散射hBN具有略高于其他两种情况的后向散射系数(图5b)，这也有助于太阳反射率。除了介电环境外，hBN@PVDF-HFP涂料的厚度(t)对于平衡材料的成本和RC性能也很重要。在丙烯酸基板上，当hBN@PVDF-HFP层的厚度在0~120μm范围内变化不大，几乎不变。而增加厚度(图5c)将大大增强R太阳辐射。Rsolar从T=25µm处的0.460迅速增加到T=80µm处的0.925，然后缓慢增加到T=120µm处的0.950(图5d)。所设计hBN@PVDF-HFP涂料在极薄层上具有优异的太阳反射率(图5e)。因此，由于优异的多界面散射性能，首选厚度为100µm的顶层hBN@PVDF-HFP层，在各种实际应用中可以降低面外热阻，节省材料成本。图5, hBN@PVDF-HFP涂料的光谱辐射规律。(a)理论散射性能和(b)不同散射体(空气中的hBN、聚合物中的hBN和多孔聚合物中的hBN)的后向散射系数。(c)实验反射光谱，(d)不同厚度下的平均太阳反射率和热发射度。(e)设计样品与其他作品[28]、[29]、[30]、[31]的太阳反射率对比。这里的基材是亚克力片材。嵌入多孔聚合物中的hBN纳米板可以在薄厚度下大大提高太阳反射率，底部石墨烯层可以通过优异的面内导热性能促进局部散热性能。了解设计热的散热性能导电RC膜，室内局部散热性能首先在(图6a)中讨论。与纯石墨烯膜相比，所设计的导热RC膜由于具有较高的R°solar和°r°LWIR(如图6b和c所示)，表现出优异的局部散热性能。在阳光照射下，由于不可避免的太阳加热，工作温度会升高，而RC与普通表面相比，可以大大降低工作温度。这些结果表明RC在室外散热方面具有很大的应用潜力。此外，加热器尺寸固定为1x1cm2，覆盖膜尺寸对局部散热也有很大影响。在(图6d、e)中，加热器温度随着覆盖膜尺寸的增大而大幅度下降，在1个太阳照射下，工作温度从75.6◦C下降到42.2◦C，当覆盖膜从1x1cm2增加到10x10cm2时，工作温度从65.6◦C下降到39.1◦C，(图6f)中由于散热面积的增大，局部高温减弱。此外，当覆盖膜尺寸或面积开始增加时，工作温度下降很大，然后由于大面积热饱和而下降很小。这些结果表明，通过向整体表面扩散热量来增加局部散热面积，可以大大降低局部高温，避免热失控风险。
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图6, 室内局部散热性能。(a)室内局部散热实验设置示意图。(b)和(c)覆盖石墨烯和设计RC薄膜(2x2cm2))的加热器在不同加热电压下的工作温度(b)没有阳光照射和(c)在1次太阳模拟太阳辐射下。(d)和(e)覆盖不同尺寸的设计RC膜的加热器在不同加热电压下的工作温度(b)无阳光照射和(c)1次太阳模拟太阳辐射下的工作温度。(f)设计的RC膜在不同尺寸下工作温度的红外图像。这里加热器的尺寸是1x1cm2与1W@3.7V为所有的实验。
最后，对所设计的导热RC膜(尺寸为5x5cm2)的室外局部散热性能进行了评价，并与普通RC膜(尺寸为5x5cm2)进行了比较，该RC膜的表层为hBN@PVDF-HFP涂料，底层为聚合物PET。对于平坦的局部散热(图7a)，当加热电压从1V增加到3.7V时，参考膜的加热器温度从47.6◦C迅速上升到130.6◦C，而设计RC膜在图7b和图c中仅从45.0◦C上升到63.3◦C。设计RC膜的高面内导热系数通过将热量扩散到整体膜进行散热，极大地降低了局部高温。这也可以从(图7c)的红外图像中观察到。此外，所设计的RC膜在非平面散热方面也表现出很大的潜力，如(图7d)所示的弧形局部散热。在这种非平坦表面下，设计的RC膜能很好地附着在基片上，当加热电压从1V增加到3.7V时，设计样品的加热器温度仅从40.0◦C增加到53.1◦C。而参考膜在(图7e、f)中从43.3◦C增加到110.8◦C。这些结果表明，所设计的导热RC膜具有辐射冷却和较高的面内导热性能，具有很大的局部散热潜力。![]()
图7, 室外局部散热性能。(a)室外平面局部散热实验设置示意图。(b)覆盖设计RC膜和参考膜的平板局部加热器的实时温度和(c)不同加热电压下的平均温度，插图为红外图像。(d)室外弯曲局部散热实验装置示意图。(e)覆盖设计RC膜和参考膜的弯曲局部加热器的实时温度和(f)不同加热电压下的平均温度，附图为红外图像。这里的加热器尺寸为1x1cm2与1W@3.7V，覆盖膜尺寸为5x5cm2所有实验。
在这项工作中，设计了一种双层导热辐射冷却膜，用于局部散热。在多孔PVDF-HFP中嵌入hBN纳米板，在厚度为30µm的石墨烯层上，在厚度为100µm的石墨烯层上，高太阳反射率为0.944，热发射率为0.904。底部石墨烯层促进面内热扩散率达到185.7mm2s-1，远高于参考膜(0.5mm2s)。室内实验表明，在模拟阳光下，在3V电压下，所设计的RC膜可将工作温度从50.0◦C(纯石墨烯)大幅降低到61.3◦C(设计RC膜)。增加设计RC膜面积可进一步提高局部散热性能，当覆盖膜面积从1x1cm2增加到10x10cm2时，1个太阳下的工作温度从75.6◦C降低到42.2◦C。室外局部散热实验进一步证实了所设计的RC膜能够与参考膜相比，将工作温度从130.6◦C降低到63.3◦C，在非平坦表面下也表现出良好的局部散热性能。这项工作为开发用于室外局部散热的导热RC技术提供了一种潜在的方法。
