中南大学陈梅洁等：辐射耦合蒸发冷却技术实现高效超环境散热与阻燃

研究背景

辐射制冷、蒸发冷却等被动式冷却技术因其低能耗、绿色环保等特点，受到广泛关注。辐射制冷技术通过高太阳光反射率避免太阳辐射加热、高中红外透明窗口发射率向外太空辐射热量，从而可以实现日间亚环境冷却。蒸发冷却技术通过水分蒸发过程带走潜热，可有效降低物体表面温度；但是，由于水体近红外本征吸收，在日间难以实现有效冷却。通过将辐射制冷与蒸发冷却过程有机结合，辐射耦合蒸发冷却技术在亚环境冷却领域展现出极大的潜力。但是，对于户外器件，内部热源会增大其工作温度与产生火灾的风险，对其超环境散热和被动补水具有一定的挑战。因此，开展辐射耦合蒸发冷却技术在超环境散热领域研究，对降低户外器件低碳热管理能耗具有十分重要的意义。

Radiative Coupled Evaporation Cooling Hydrogel for Above-Ambient Heat Dissipation and Flame Retardancy

Qin Ye, Yimou Huang, Baojian Yao, Zhuo Chen, Changming Shi, Brian W. Sheldon & Meijie Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 50

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

本文亮点

1. 混合被动式冷却：在凝胶结构中通过辐射耦合蒸发冷却过程，实现高效超环境散热与防火。在相同条件下，相辐射耦合蒸发冷却技术使器件表面温度比单一模式辐射制冷技术低12℃。

2. 高效循环可再生性：辐射制冷与蒸发冷却过程相互作用，可根据器件工作负荷或者气象参数周期性变化，在低负荷或者夜间通过辐射制冷辅助大气集水过程，实现水分可再生，避免主动补水。

内容简介

针对辐射耦合蒸发冷却技术在户外器件超环境散热领域的应用存在的问题：高散热性能与水分自补充难以兼顾，中南大学陈梅洁等人开发了一种辐射耦合蒸发冷却的光子凝胶薄膜，可实现高效被动式散热与防火阻燃。与传统的聚合物辐射制冷薄膜相比，辐射耦合蒸发冷却过程可以大大提高日间高负荷下的散热性能，在室外相同条件下，实验测得辐射耦合蒸发冷却薄膜温度比辐射制冷薄膜低12.0 °C。在夜间低负荷时，辐射制冷辅助吸附过程可以改善大气集水性能以确保日间蒸发过程水分供应。此外，辐射耦合蒸发冷却薄膜能够吸收热量，且不会造成温度显著升高，增强阻燃性，从而降低火灾风险，为户外设备被动式热管理提供了一种高效散热与阻燃性能的介质。

图文导读

I 辐射耦合蒸发冷却过程作用规律理论分析

基于能量与质量守恒定律，建立了辐射耦合蒸发冷却过程热-质传递计算模型，分析了不同参数下其冷却性能(图1)。与单一辐射制冷相比，由于蒸发潜热带走热量，辐射耦合蒸发冷却过程可显著提升散热性能。在加热功率为1000 W·m⁻2时，辐射耦合蒸发冷却薄膜温度比辐射制冷薄膜低52.2°C。由于水的焓和蒸发速率较大，较大的加热可以大大提高潜热功率，而辐射制冷功率(Prad-Patm)则变化较小。此外，由于水不可避免的本征太阳光吸收，当太阳光反射率从0.95下降到0.75时，辐射耦合蒸发冷却薄膜温升仅从12.8°C略微增加到14.4°C。这些结果表明，辐射耦合蒸发冷却薄膜在不同含水量下均能保持了优异的散热性能。进一步分析了风速、相对湿度、环境温度等气象参数对辐射耦合蒸发冷却过程作用规律。计算结果表明，辐射耦合蒸发冷却过程可以在各种气象参数下均表现出良好的被动散热效果。除了散热性能外，夜间低负荷下的大气集水性能对薄膜的被动水循环也至关重要，可根据周期性气象参数或工作负荷，确定吸附剂浓度以维持被动水循环，例如，在恒定加热功率为300 W m⁻2时，40%的LiCl质量分数可以平衡水的捕获和释放。因此，根据气象参数和工作负荷的周期性变化，被动式辐射耦合蒸发冷却技术可以大大增强室外设备的散热。

图1. 辐射耦合蒸发冷却过程理论计算。

II 辐射耦合蒸发冷却薄膜室内热-质传递过程分析

基于所制备的辐射耦合蒸发冷却薄膜，探讨了室内热-质传递行为，分析了其散热和水捕获性能。如图2所示，在无模拟太阳光照射下，将薄膜涂覆在加热片上，由于潜热释放，在510 W m⁻2的加热器功率下，6 h后其工作温度可从59.7 ℃迅速降至40.3 ℃。当在凝胶薄膜中添加吸附剂LiCl时，由于蒸发冷却过程减弱，凝胶薄膜最初可以获得相对较大的温升，而在相同的水含量下，其蒸发过程可以维持相对较长的时间。在相同总蒸发质量下实现了最小的温升(37.6 ℃)，比纯凝胶(无吸附剂)低2.7 ℃。因此，在相同含水量下，吸附剂可以延长蒸发时间，保持长期的降温性能。含水量对蒸发过程至关重要，可由凝胶薄膜厚度决定，而较大的厚度也会增加热阻。厚度较小(3 mm)会导致在长期工作时水分不足，蒸发量减少、散热性能变差。然而，厚度较大(10 mm)会增加热阻，导致蒸发量减少，工作温度较高。因此，在厚度为6 mm时，可以平衡含水量和热阻，保持较低的工作温度。

图2. 室内散热性能调控分析

除了水分蒸发散热外，水捕获性能是实现被动水循环的另一个关键，其主要由环境温度、相对湿度和加热功率决定，如图3所示。在昼夜循环过程中，12 h的吸附-解吸周期难以达到饱和水含量，有利于在低水含量下维持较高吸附速率。由于吸附过程中的放热过程以及内部工作负荷，工作温度通常高于环境温度，而提高环境温度可使水分吸附速率有所提升，这是由于高环境温度下饱和蒸汽压增加导致。在高湿环境下，也可以提升其水分吸附性能，此外，较大的加热功率会抑制水捕获性能，因此，辐射耦合蒸发冷却薄膜在夜间高湿低负荷下可有效被动补水。最后，在高工作负荷(加热功率为1020 W m⁻2)和低工作负荷(加热功率为100 W m⁻2)下循环多个周期后，可实现动态吸附-解吸平衡，维持一个恒定的工作温度(~63.5°C)。

图3. 室内水分自循环及稳定性分析。

III 辐射耦合蒸发冷却过程户外全天候冷却性能分析

为了评估辐射耦合蒸发冷却薄膜的被动散热性能，采用SEBS@hBN辐射制冷薄膜和加热片基底作为参比样品，对其温升性能进行了测试评估，如图4所示。在日间高工作负荷(加热功率为1020 W m⁻2)下，所有样品温度均超过环境温度。基底由于较低的太阳反射率(~ 0.48)而温升最高，其次是具有高太阳反射率(~ 0.95)的辐射制冷薄膜，而辐射耦合蒸发冷却薄膜实现了最低的温升，其温度比辐射制冷薄膜低22.4 °C。在夜间低工作负荷(加热功率为100 W m⁻2)下，由于水吸附过程中潜热的释放，辐射耦合蒸发冷却薄膜温升最高，2h内质量变化量为0.369 kg m⁻2；由于热辐射率相近(~0.93)，相同加热功率下基底和辐射制冷薄膜的温升类似。

为了进一步测试初始干燥状态下辐射耦合蒸发冷却薄膜全天散热性能，开展了全天候实验。在夜间，由于较低工作负荷，所有样品都达到了与环境相似的温度。在日间高工作负荷下，辐射耦合蒸发冷却薄膜温度最低，比基底低20.9°C，比辐射制冷膜低12.0°C。当工作负荷恒定为200 W m⁻2时，在夜间高湿条件下，薄膜捕获空气中水分导致工作温度略微高于辐射制冷薄膜，而在日间，由于在低湿条件下水分蒸发，其温升小于辐射制冷薄膜，这表明辐射耦合蒸发冷却技术是通过辐射制冷辅助大气集水实现被动水循环，可有效降低日间户外器件高负荷下工作温度。

图4. 户外全天候被动式冷却性能测试。

最后，对于超环境散热，一旦设备发生热失控，阻燃性也至关重要。如图5所示，辐射耦合蒸发冷却薄膜通过蒸发过程释放潜热，使得温度没有明显升高，从而提高了阻燃性，避免了火灾风险。传统介电-聚合物辐射制冷薄膜由于软化温度和着火温度较低，容易达到其热失控温度，从而进一步降低冷却能力并引起火灾。在相同火焰下，SEBS@hBN辐射制冷薄膜温度在30 s内迅速升高到335 ℃，而所设计辐射耦合蒸发冷却薄膜温度升高到~68 ℃。热红外图像显示，在喷灯火焰下，所设计薄膜在180 s内维持了~82 ℃的温度，而辐射制冷薄膜在几秒钟内就发生着火。此外，通过增加薄膜的厚度可以提高热阻来增强易燃基底的阻燃性。这些结果表明，辐射耦合蒸发冷却薄膜具有优异的散热和阻燃性。

图5. 辐射耦合蒸发冷却薄膜阻燃防火性能测试。

IV 总结

综上所述，本文通过辐射耦合蒸发过程多模式冷却策略实现了高效超环境散热和阻燃性。在白天高负荷运行期间，辐射制冷与蒸发冷却的集成显著增强了散热效果。相反，在夜间低负荷运行期间，辐射制冷辅助吸附过程有效提高了大气集水性能，确保了后续白天蒸发过程水分供应。此外，辐射耦合蒸发过程潜热通过吸收热量而有效增强了阻燃性，且温度不会显著升高，从而降低了火灾风险。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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