用于環境溫度以上散熱與阻燃的輻射耦合蒸發冷卻水凝膠

論文信息：

Qin Ye, Yimou Huang, Baojian Yao, Zhuo Chen, Changming Shi, Brian W. Sheldon and Meijie Chen, Radiative Coupled Evaporation Cooling Hydrogel for Above-Ambient Heat Dissipation and Flame Retardancy, Nano-Micro Letters 18, 50 (2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01903-0

研究背景

隨著電子設備功率密度的不斷提升，高效散熱已成為保障設備性能與可靠性的關鍵挑戰。尤其在戶外設備如基站、變壓器和電子廣告牌等直接暴露于陽光下的應用場景中，傳統散熱方式如空調或風扇不僅能耗高，還會導致制冷劑排放，不利于能源效率與環境可持續性。因此，開發被動式、環保且高效的散熱技術顯得尤為迫切。輻射冷卻（Radiative Cooling，RC）和蒸發冷卻（Evaporative Cooling，EC）作為兩種典型的被動散熱方式，近年來受到廣泛關注。RC通過大氣長波紅外窗口將熱量輻射至外太空，具有零能耗的優點，但其冷卻功率有限（通常低于150 W/m2），且受濕度、云量和降雨等環境因素影響顯著。EC則利用水蒸發吸熱的原理，提供較高的冷卻功率，但水的太陽吸收性強，在陽光直射下難以有效冷卻設備，且被動供水系統也限制了其實際應用。為克服單一冷卻方式的局限性，輻射-蒸發耦合冷卻（Radiative Evaporative Cooling，REC）技術應運而生。該技術通過同時利用高太陽反射率、高紅外發射率和水的潛熱釋放，顯著提升了日間冷卻性能。然而，現有研究多集中于亞環境溫度下的REC應用，對高于環境溫度的散熱場景關注不足，尤其是在高工作溫度下的被動水循環和防火性能方面仍存在挑戰。因此，開發一種集成輻射冷卻、蒸發冷卻與阻燃功能的一體化材料，對于戶外設備的熱管理具有重要意義。

研究內容

本文研究設計并制備了一種一體化光子水凝膠（REC hydrogel），由聚電解質PDMAPS、吸濕鹽LiCl、六方氮化硼（hBN）納米片和氧化鋁（Al2O3）顆粒組成，旨在實現高于環境溫度的高效散熱和阻燃功能。該材料通過輻射冷卻與蒸發冷卻的協同作用，在不同工作負荷和氣象條件下實現智能熱管理。該REC水凝膠的工作原理如圖1所示，圖1(a)所示了傳統聚合物RC膜在高負荷下因熱接觸阻力大和易燃性導致的散熱性能下降和火災風險。圖1(b)所示為REC水凝膠的復合結構及其多模式冷卻策略：日間高負荷時，RC與EC協同作用增強散熱；夜間低負荷時，RC輔助吸附大氣水分，為日間蒸發冷卻提供水源。此外，水凝膠的潛熱儲存能力使其在吸收熱量時不顯著升溫，從而提升阻燃性能。同時該研究進行了REC散熱性能的理論分析，圖2(a)-(f)所示通過能量平衡模型分析了REC與純RC在不同對流系數、加熱功率、太陽反射率和LiCl質量分數下的性能差異。結果表明，REC在加熱功率為1000 W/m2時可比RC降低52.2 °C的溫度變化，顯示出顯著的散熱優勢。圖2(f)所示進一步表明，LiCl的加入雖降低了蒸發速率，但延長了冷卻時間，實現了水循環的平衡。這些理論分析為后續實驗提供了重要依據。

圖1.輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的工作原理；(a) 用于環境溫度以上散熱的傳統聚合物輻射冷卻（RC）薄膜：該薄膜在達到燃點時易起火，導致冷卻性能下降；(b) 用于環境溫度以上散熱的一體化輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠：在日間高負載工況下，處于高環境溫度（Tamb）、低相對濕度（RH）環境中的REC水凝膠可最大限度發揮被動散熱性能；在夜間低負載工況下，處于低環境溫度（Tamb）、高相對濕度（RH）環境中的REC水凝膠，能通過輻射冷卻輔助的吸附作用從大氣中收集水分，為水循環提供保障。

圖2.輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的工作原理；基于輻射耦合蒸發冷卻（REC）的散熱性能理論分析；(a) 輻射冷卻（RC）與輻射耦合蒸發冷卻（REC）的熱流示意圖；(b) 不同對流換熱系數（hc）下理想RC與REC的溫度變化（環境溫度Tamb=35 °C、相對濕度RH=30%、加熱功率Pheating=1000 W·m-2）；(c) 不同加熱功率（Pheating）下理想RC與REC的溫度變化（環境溫度Tamb=35 °C、相對濕度RH=30%、對流換熱系數hc=8W·m?2·K?1）；(d)理想輻射耦合蒸發冷卻（REC）系統中不同加熱功率（Pheating）下的潛熱功率（Platent）與輻射冷卻（RC）功率（Prad-Patm）（環境溫度Tamb=35 °C、相對濕度RH=30%、對流換熱系數hc=8 W·m?2·K?1）；(e)不同太陽反射率下REC的溫度變化（環境溫度Tamb=25 °C)、相對濕度RH=30%、對流換熱系數hc=8 W·m?2·K?1、加熱功率Pheating=1000 W·m-2）；(f) 不同氯化鋰（LiCl）質量分數下REC的質量與溫度變化（環境溫度Tamb=25 °C、相對濕度RH=30%、對流換熱系數hc=8 W·m?2·K?1、加熱功率Pheating=1000 W·m-2）。

然后本文研究進行了REC水凝膠的制備與表征。其制備過程為以雙離子水凝膠PDMAPS 為大氣水收集介質，將hBN、Al2O3和LiCl鹽融入其中制備REC水凝膠。具體步驟為：將7 g DMAPS粉末與3 g去離子水、0.64 g hBN和0.22 g Al2O3混合，待完全溶解后，加入0.06 g引發劑APS和70 μL交聯劑PEGDA，超聲處理5分鐘后，在約60 ℃下聚合12小時。將得到的水凝膠在去離子水中浸泡12小時以去除未反應物質，獲得純PDMAPS水凝膠，隨后將其在4M LiCl溶液中浸泡約24小時，使LiCl嵌入其中，如圖3(a)所示。

其結構與成分表征為制備的REC水凝膠呈現均勻的白色，元素分布均勻，掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示其具有多孔結構（圖3(b)所示），該結構增大了水凝膠與空氣的接觸面積，有利于水分的儲存、捕獲與釋放，優化了蒸發冷卻性能。X射線衍射（XRD）結果顯示樣品中存在hBN和Al2O3的特征峰，無LiCl晶體特征峰，表明LiCl以配位鹽形式存在。傅里葉變換紅外（FTIR）光譜中，1033cm-1和1164cm-1處的峰對應S=O的對稱和不對稱伸縮振動，962cm-1處為-C=C-基團，1472cm-1處為-CH2-基團，1375cm-1處為-CH3基團，表明水凝膠內部存在強相互作用。

其光學性能表征為在水含量為20wt%時，隨著hBN質量分數從0增加到6wt%，水凝膠的太陽反射率（`Rsolar）從0.074大幅提升至0.808，而長波紅外發射率（`eLWIR）因聚合物和水的本征吸收變化較小。Al2O3顆粒的加入對太陽反射率影響較小，但會因非吸濕性顆粒含量增加而降低水分捕獲性能，不過它能改善光子水凝膠的機械性能，提升其拉伸性。當水凝膠厚度從3 mm增加到9 mm（水含量20%）時，太陽反射率僅從0.806輕微增加到0.839，長波紅外發射率無明顯變化；隨著水含量從10 wt%增加到80 wt%，由于水的本征吸收，太陽反射率從0.851下降到0.627，長波紅外發射率仍無顯著變化。在hBN質量分數為6 wt%、Al2O3質量分數為2 wt%且水含量為5 wt%的條件下，REC水凝膠的太陽反射率達到0.872，長波紅外發射率為0.937（圖3(c)所示），具備良好的輻射冷卻性能。

其熱性能與物理特性表征為熱重分析（TGA）結果顯示，當溫度升至150 ℃時，REC水凝膠的固體含量降至約20%，表明其含水量高達約80%，具備良好的儲水能力（圖3(d)所示）。差示掃描量熱法（DSC）測試表明，REC水凝膠中水的潛熱雖從純水的2389J·g-1降至2169J·g-1，但仍遠高于常見的相變材料或輻射冷卻材料（圖3(e)所示）。此外，由于官能團和氫鍵的作用，REC水凝膠能緊密貼合玻璃、鐵、木材、鋁等多種基材表面，具有較強的附著力和良好的穩定性（圖3(f)所示）。

圖3.一體化輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的表征；(a) 用于輻射耦合蒸發冷卻（REC）的一體化水凝膠示意圖，包含聚合物鏈、散射體六方氮化硼（hBN）、三氧化二鋁（Al2O3）顆粒及吸附劑氯化鋰（LiCl）；(b)輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠上表面的光學圖像與掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c)含水量為5 wt%（質量分數）的輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的光譜反射率圖；背景分別為歸一化太陽輻照度（黃色）與大氣透射窗口（青色）；(d) 輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的熱重分析（TGA）曲線；(e)用于評估潛熱的純水與輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠中水分的差示掃描量熱（DSC）曲線；(f)輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠附著于不同基材（包括玻璃、鐵、木材和鋁）表面的光學圖像。

本文研究又進行了REC水凝膠的室內性能測試。其中散熱性能測試為在室內無陽光環境下，利用恒溫恒濕箱控制環境溫度（Tamb）和相對濕度（RH），通過加熱器模擬設備不同負載功率。當加熱器功率為510 W·m-2時，在REC水凝膠涂層作用下，加熱器工作溫度在6小時內從59.7 ℃快速降至40.3 ℃，這主要得益于水蒸發釋放的潛熱（圖4(a)所示）。加入LiCl后，REC水凝膠初期溫度上升幅度相對較大，這是因為LiCl在一定程度上削弱了蒸發冷卻效果，但在相同含水量下，其蒸發冷卻性能可持續更長時間。在相同總蒸發質量下，含LiCl的REC水凝膠溫度上升幅度最小，僅為37.6 ℃，比純PDMAPS水凝膠低2.7 ℃（圖4(b)所示）。

其中水凝膠厚度對散熱性能有顯著影響。厚度過薄（3 mm）會導致長期工作時水分不足，蒸發質量減少，散熱性能變差（圖4(c)所示）；厚度過厚（10 mm）則會增加熱阻（Rt=d/λ，其中熱導率λ=0.484W·m-1·K-1），使得工作溫度相對較高，蒸發質量也較少（圖4(d)所示）。綜合考慮水分含量和熱阻因素，確定6 mm為最優水凝膠厚度，在此厚度下，水凝膠能在相同條件下保持相對較低的工作溫度。

其中加熱功率影響為當加熱功率從510W·m-2增加到1020W·m-2時，REC水凝膠的工作溫度從37.6 ℃升高到59.7 ℃，但由于蒸發質量增加和向環境的輻射散熱增強，溫度上升幅度得到有效抑制（圖4(e)和(f)所示），表明設計的REC水凝膠通過多模式冷卻策略實現了優異的散熱性能。

其中水分捕獲與循環性能測試為水分捕獲性能主要受環境溫度、相對濕度和加熱功率影響。在環境溫度25 ℃、相對濕度90%、加熱功率100 W·m-2的條件下，經過12小時的水分捕獲，REC水凝膠達到了飽和水分捕獲量的62%。環境溫度升高有利于水分捕獲，當溫度從15 ℃升高到35 ℃時，水分捕獲速率從0.043 kg·m-2·h-1增加到0.132 kg·m-2·h-1（圖5(a)所示），這是因為高溫下空氣中飽和蒸氣壓增大，而飽和水分捕獲量僅從4.34 kg·m-2輕微增加到4.50 kg·m-2。相對濕度的提升對水分捕獲也有積極作用，當相對濕度從30%增加到90%時，水分捕獲速率從0.019 kg·m-2·h-1提高到0.217 kg·m-2·h-1（圖5(b)所示），飽和水分捕獲量從2.29 kg·m-2增加到5.15 kg·m-2。相反，加熱功率增大則會抑制水分捕獲，當加熱功率從100 W·m-2增加到500 W·m-2時，水分捕獲速率從0.094 kg·m-2·h-1降至0.026 kg·m-2·h-1（圖5(c)所示），因此夜間低負載、高相對濕度的環境更有利于REC水凝膠進行水分捕獲。

其中長期穩定性測試為在室內環境下，對REC水凝膠進行15個循環的高負載（1020 W·m-2，持續1小時）和低負載（100 W·m-2，持續1小時）測試，結果顯示每個循環內水凝膠的凈質量變化為零，即水分的解吸與吸附達到平衡，且工作溫度穩定在約63.5 ℃（圖5(d)和(e)所示），證明REC水凝膠具有良好的長期穩定性。

同時在環境溫度以上散熱場景中，阻燃性能至關重要。傳統聚合物輻射冷卻薄膜由于軟化和點火溫度較低，在溫度過高時易出現熱失控并引發火災（圖6(b)所示）。而REC水凝膠通過蒸發冷卻釋放潛熱，吸收熱量時自身溫度無明顯升高，有效避免了火災風險（圖6(a)所示）。在相同酒精燈火焰作用下，SEBS@hBN輻射冷卻薄膜在30秒內溫度迅速升至335 ℃，而 REC 水凝膠溫度僅升至約68 ℃（圖6(c)所示）。熱紅外圖像顯示，在酒精燈火焰作用下，REC水凝膠（厚度6 mm）在180秒內溫度始終維持在約82 ℃（圖6(d)所示）。此外，SEBS@hBN輻射冷卻薄膜在火焰中幾秒內就會起火（圖6(e)所示），而REC水凝膠即使添加了介電hBN粒子，在火焰中也無明顯火焰產生（圖6(f)所示）。增加REC水凝膠的厚度還能提高熱阻，增強對基底的保護作用，以木材為基底的測試也證實了這一點（圖6(g)所示）。

圖4.室內散熱性能；(a) 輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠（通過浸泡在4 mol/L氯化鋰（LiCl）溶液中引入吸附劑LiCl）、純REC水凝膠（通過浸泡在純水中制備，不含LiCl）及純加熱器基底的溫度變化；(b) 上述三種樣品的質量變化（相對濕度RH=30%、環境溫度Tamb=25℃、加熱功率Pheating=510 W·m-2、厚度d=6 mm）；(c)不同厚度（d）下REC水凝膠的溫度變化；(d) 不同厚度（d）下REC水凝膠的質量變化（相對濕度RH=30%、環境溫度Tamb=25℃、LiCl濃度mLiCl=4 mol/L、加熱功率Pheating=720 W·m-2）；(e) 不同加熱功率（Pheating）下REC水凝膠的溫度變化；(f) 不同加熱功率（Pheating）下REC水凝膠的質量變化（相對濕度RH=30%、環境溫度Tamb=25℃、厚度d=6 mm、LiCl濃度mLiCl=4 mol/L）。

圖5.室內水分捕獲與循環性能；在夜間低負載工況下，輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠在不同(a) 環境溫度Tamb、(b) 相對濕度（RH）、(c) 加熱功率Pheating條件下的質量變化（典型參數：相對濕度RH=60%、環境溫度Tamb=25℃、加熱功率Pheating=100 W·m-2；為評估輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的長期穩定性，對其進行15個循環的高負載（加熱功率Pheating=1020 W·m-2，持續1小時）與低負載（加熱功率Pheating=100 W·m-2，持續1小時）測試，圖中展示了該過程中水凝膠的質量變化與溫度變化（測試條件：相對濕度RH=50%、環境溫度Tamb=25℃）。

圖6.輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的阻燃性能；(a) 輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的阻燃原理示意圖；(b) 常見聚合物輻射冷卻（RC）薄膜的阻燃相關示意圖；(c) 兩者在相同酒精燈火焰作用下的實時溫度變化；(d) 厚度為6 mm的輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠在相同酒精燈火焰作用下的紅外圖像；(e) 常見聚合物輻射冷卻（RC）薄膜、(f)輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠在火焰作用下的光學圖像；(g) 不同厚度的輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠與木材基底結合后，在火焰作用1200秒時的原理示意圖及光學圖像。

本文研究最后進行了REC水凝膠的戶外性能測試，在戶外環境中以純加熱器基底和SEBS@hBN輻射冷卻薄膜（太陽反射率約0.95，熱發射率約0.93）作為參照進行實驗。REC水凝膠在真實戶外環境中的表現如圖7所示，日間高負荷下，REC水凝膠比RC膜低12.0 °C，比純基材低20.9 °C；夜間低負荷下，水凝膠能有效捕獲水分并為日間使用做準備。連續三天的循環實驗進一步驗證了其在實際氣象條件下的可靠性和穩定性。

圖7.輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠的戶外散熱性能；(a) 2024年12月31日日間高負載（加熱功率Pheating=1020 W·m-2）工況下，輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠、輻射冷卻（RC）涂料及純加熱器基底的實時溫度變化；(b) 上述三種樣品相對于基底的溫差變化（圖中包含太陽輻照度、相對濕度（RH）及環境溫度數據）；(c) 2025年1月3日夜間低負載（加熱功率Pheating=100 W·m-2）工況下，輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠、輻射冷卻（RC）涂料及作為基準的加熱器基底的實時溫度變化；(d) 上述三種樣品相對于基底的溫差變化；(e) 2025年1月11日至2025年1月12日三天內，初始含水量為10%的輻射耦合蒸發冷卻（REC）水凝膠、輻射冷卻（RC）涂料及純加熱器基底的全天連續循環性能（日間高負載工況：加熱功率Pheating=1020 W·m-2；夜間低負載工況：加熱功率Pheating=100 W·m-2）。

結論與展望

綜上所述，本研究成功開發了一種具有輻射-蒸發耦合冷卻功能的一體化光子水凝膠，實現了高于環境溫度的高效散熱和顯著阻燃性能。通過理論建模與實驗驗證，研究系統分析了材料在不同工作負荷、氣象參數和結構配置下的熱管理與水循環性能。主要結論如下：其一為多模式冷卻策略的有效性，REC水凝膠在日間高負荷下通過RC與EC的協同作用顯著提升散熱性能，夜間則通過RC輔助吸附實現大氣水分捕獲，形成被動水循環；其二為優異的材料性能，水凝膠具備高太陽反射率（0.872）和高紅外發射率（0.937），含水量達80%，潛熱值接近純水，且具有良好的機械附著力與穩定性；其三為顯著的戶外性能優勢，戶外實驗中，REC水凝膠比傳統RC膜低12.0 °C，表現出更強的適應性和可靠性；其四為出色的阻燃性能，通過吸收潛熱而不顯著升溫，REC水凝膠有效抑制了火災風險，在明火測試中表現遠優于傳統聚合物RC材料。該研究為戶外電子設備、光伏面板、電池電站等高溫高風險場景提供了一種全新的被動熱管理解決方案。