文獻前沿丨Chemical Engineering Journal：具備優(yōu)異輻射冷卻與電子器件熱管理性能的新型雙層復合材料

隨著全球能源危機與環(huán)境問題加劇，建筑及電子器件制冷能耗持續(xù)攀升，傳統有源制冷高耗能、高污染的弊端凸顯。將被動輻射冷卻與相變儲能相結合的技術雖因零能耗、智能溫控優(yōu)勢備受關注，但現有復合策略多采用微膠囊摻雜或多層涂覆，難以兼顧高光學性能、高儲能密度與結構穩(wěn)定性。為此，本研究設計了一種新型氣凝膠-纖維膜-相變材料（Aerogel, fiber membrane, and phase change material，AFP）雙層復合輻射冷卻材料，以聚丙烯腈/聚四氟乙烯（Polyacrylonitrile/Polytetrafluoroethylene，PAN/PTFE）電紡纖維膜為上層輻射冷卻層，聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl alcohol/Polyvinyl pyrrolidone，PVA/PVP）交聯氣凝膠為下層封裝載體，通過真空浸漬法負載聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）相變工質。通過調控聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）與聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone，PVP）質量比，篩選出性能最優(yōu)的比例為2:1（ratio of 2:1，A21FP）制備的樣品。該材料太陽光譜波段反射率達93.0%，大氣窗口發(fā)射率達91.11%，熱儲能密度為135.87J/g，200次熱循環(huán)后性能衰減極小，泄漏率僅5.8%。戶外實測較裸器件降溫30.18℃，電子芯片模擬中3W功率下降溫35.78℃。該材料為節(jié)能建筑制冷、電子器件熱管理等領域提供了高效解決方案，兼具工程應用價值與節(jié)能環(huán)保意義。相關工作以A novel double-layer composite material with excellent radiative cooling and thermal management for electronic devices為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文圍繞集成被動輻射冷卻與相變儲能以提升熱管理效能，設計了基于PAN/PTFE纖維膜與PVA/PVP氣凝膠封裝PEG的新型雙層復合材料。首先，文章展示了AFP復合材料的雙層結構制備流程（圖1）；通過SEM圖像確認了纖維膜層與氣凝膠層的微觀形貌及界面結合（圖2a-h）；XRD圖譜揭示了PEG在氣凝膠骨架中保持良好的結晶性（圖4c）；應力-應變曲線表明A21F樣品在80%應變下壓縮應力達2072.5kPa（圖3b）；DSC測試顯示A21FP熔融焓為135.87J/g，200次循環(huán)后衰減低于1%（圖5e-f）；泄漏實驗證實A21FP泄漏率僅5.8%（圖6b）；芯片熱管理模擬表明A21FP較裸芯片溫降達35.78°C（圖7b）；光譜測試顯示A21FP太陽反射率達93.0%，大氣窗口發(fā)射率達91.11%（圖8a）；戶外實測中該復合材料較空白裝置實現最高30.18°C的顯著溫降（圖8c-d）。結果表明，該復合材料兼具高反射率、高發(fā)射率、高儲能密度與優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，在建筑節(jié)能與電子器件熱防護領域具有廣闊應用前景。

圖1.PVA@PVP/PEG氣凝膠與PAN/PTFE纖維膜復合材料的制備流程示意圖。

圖2.（a）AF復合材料的結構示意圖及AF復合材料纖維膜層與氣凝膠層的SEM圖像。（b）AF復合材料的數碼照片。（c）PAN/PTFE纖維直徑分布直方圖。（d-g）A11F、A21F、A31F和A12F樣品氣凝膠層的SEM圖像。（h）AF復合材料橫截面的SEM圖像。（i）AF復合材料與PAN/PTFE薄膜的XRD圖譜。

圖3.（a）AF復合材料立于薄葉片上的數碼照片。（b）所有AF樣品的應力-應變曲線。（c）所有AF樣品的壓縮模量。（d）PVA、PVP及AF復合材料的FT-IR光譜圖。

圖4.（a）AFP復合材料的SEM圖像。（b）PEG、AF及所有AFP樣品的FT-IR光譜圖。（c）PEG及所有AFP樣品的XRD圖譜。（d）光熱轉換測試裝置示意圖。（e）所有AFP樣品的溫度-時間曲線。（f）A21FP光熱轉換性能的熱成像圖。（g）通過有限元分析獲得的A21FP液相分布示意圖。（h）通過有限元分析獲得的A21FP溫度分布示意圖。

圖5.所有AFP樣品的（a）DSC曲線。（b）熔融焓、結晶焓及相變溫度。（c）150次熱循環(huán)前后的熔融焓與結晶焓。（d）150次熱循環(huán)前后的相變溫度。（e）A21FP樣品在200次熱循環(huán)前后的DSC曲線。（f）A21FP樣品在200次熱循環(huán)前后的熔融焓、結晶焓及相變溫度。

圖6.（a）PEG及所有AFP樣品泄漏實驗的形貌照片。（b）PEG及所有AFP樣品的泄漏率。

圖7.（a）電子芯片熱管理模擬實驗示意圖。（b）覆蓋純PEG、A21FP及無覆蓋的模擬芯片在3W功率下加熱的溫度-時間曲線。（c）覆蓋純PEG、A21FP及無覆蓋的模擬芯片在4W功率下加熱的溫度-時間曲線。（d）覆蓋純PEG、A21FP及無覆蓋的模擬芯片在2W功率下加熱的溫度-時間曲線。（e）A21FP復合材料分別在2W、3W和4W功率下加熱420秒的溫度-時間曲線。

圖8.（a）所有AFP樣品的太陽反射率及中紅外發(fā)射率。（b）戶外測試裝置數碼照片。（c）戶外測試期間所有AFP樣品的溫度變化曲線。（d）A21FP樣品與裸露裝置之間的溫度差值。（e）太陽輻射強度。A21FP在（f）日間和（g）夜間的理論凈輻射冷卻功率。

小結：本研究提出了一種相變材料封裝的新策略。將PAN/PTFE輻射冷卻纖維膜與PVA/PVP氣凝膠相結合，當PVA與PVP質量比為2:1時，由于共價縮醛化與氫鍵相互作用的協同效應，所制備的氣凝膠層（A21F）展現出優(yōu)異的機械強度（2072kPa）。經真空浸漬后，所得的A21FP復合材料具有93.0%的高太陽反射率和91.11%的大氣窗口高發(fā)射率，同時具備135.87J/g的熱能存儲密度以及出色的熱穩(wěn)定性和形狀穩(wěn)定性。得益于輻射冷卻與潛熱儲存的協同作用，在戶外條件下，A21FP復合材料相較于裸露裝置實現了高達30.18°C的顯著溫降。然而，AFP復合材料的多步制備工藝及疏水性不足對其規(guī)?；苽浜烷L期耐久性構成挑戰(zhàn)，仍有待進一步優(yōu)化。本研究為相變儲能與被動輻射冷卻的集成提供了一種新策略，在節(jié)能建筑、電池熱管理及電子器件冷卻領域展現出巨大潛力。

論文信息：Haoxin Lv, Haixuan Liu, Jiahui Lin, Jintao Huang, Hanlin Xie, Xiaofeng Li, Yonggang Min, Xiang Lu. A novel double-layer composite material with excellent radiative cooling and thermal management for electronic devices. Chemical Engineering Journal,2026,535:175388.

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