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高导热率辐射制冷绝缘材料 。黄兴溢供图
■采访人员 李惠钰
电力装备散热、建筑制冷等室外应用对冷却的需求很高，然而，空调等传统制冷方法因消耗电力大，进一步加剧温室气体排放，因此很难满足行业需求 。
如何实现超低能耗的冷却？科学家开始将目光聚焦在“辐射制冷”上，这种被动冷却技术可以反射阳光，并将热量散发到深空而无需消耗任何能源 。
基于该技术，近日，上海交通大学电气材料与绝缘研究中心教授黄兴溢与该校密西根学院教授鲍华合作，开发出一种具有高导热率的辐射制冷绝缘材料，这种材料具有高达98%的阳光反射率，可以实现全天辐射制冷效果，其高导热特性还可用于户外设备的高效热管理，有效降低器件、装备的工作温度 。相关研究已发表于《先进功能材料》 。
巨大冷源在外太空
辐射制冷是物体通过发射热辐射降低自身温度至环境温度以下的一种新型制冷技术 。黄兴溢对《中国科学报》解释说，该技术主要利用了地球与外太空之间的大气辐射透明窗口 。地球上物体的热辐射可以穿过该大气窗口，将热量直接发射到外太空 。
“外太空是一个温度只有3开尔文的巨大冷源，通过与其进行直接换热，可以将地球上物体的温度降低到环境温度以下 。”黄兴溢说 。与传统制冷技术（如基于压缩机的主动制冷技术等）相比，辐射制冷技术是一种完全无能耗、无温室气体排放的被动制冷技术 。
黄兴溢表示，传统制冷技术加剧了温室气体的排放，使地球整体温度升高，又进一步增加了制冷需求，形成恶性循环 。总的来看，这些制冷系统自身反而会变成热源 。而辐射制冷技术利用材料自发的热辐射进行制冷，不需要任何能量输入，是一种低碳环保、具有净制冷效果的技术 。
实际上，夜间的辐射制冷现象早已被广泛利用，如清晨露水的产生以及古人在沙漠气候环境制冰等 。然而，辐射制冷现象在白天很少出现，这是因为阳光热量的输入远远超过辐射制冷量，结果反而加热了暴露在阳光下的物体 。
“在白天实现辐射制冷，需要物体表面具有超高的阳光反射率，以最大限度地减少阳光热量输入 。”黄兴溢补充道 。辐射制冷技术有望替代或补充传统制冷技术，有效降低碳排放，但目前还处于推广阶段 。
让材料实现高导热率
与制冷这一应用场景不同，户外电力装备、电子设备不仅要面临阳光热量的输入，其自身还会产生大量热量 。为了使户外电子电力设备维持在较低的工作温度，不仅要阻断外部热量的输入，还需要将其内部热量快速传导、耗散 。这就对现有的辐射制冷材料提出了新的要求，即高导热率（低热阻） 。
黄兴溢表示，传统辐射制冷材料往往具有较低的导热率，甚至是隔热的，这使得电力装备、电子器件内部的热量难以传导出来，因而当其用上这些辐射制冷材料后，不仅没有降温效果，甚至还有可能导致内部热量积聚 。
对此，研究人员设计出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 。
结果表明，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，其在阳光直射下表现出约4摄氏度的低温冷却性能，在夜间表现出约9摄氏度的冷却性能 。
“跨越近两个数量级调控辐射制冷材料的阳光反射率与红外发射率本就是一件极具挑战性的事情，我们期望材料在维持这两个光学性能的同时，还具有高导热率，这就需要苛刻的光—热协同设计，对材料的筛选及其结构设计提出了极高的要求 。”黄兴溢说 。

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