用于被动温度管理的辐射保温层

来源 | Applied Physics Letters

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背景介绍

精密电子器件要求保持所需的工作温度，过冷或过热会极大地影响器件的性能。传统的主动热管理方法存在一定的弊端，而辐射热管理具有零能耗和高集成度等优点，在精密电子仪器中具有独特的优势。其相关的涂层设计适合于太阳光照射可能引入温度变化的空间环境。为了实现热动态平衡，在变化的热环境中动态稳定温度，辐射外壳要求发射率能够根据被保护物体的热状态做出响应，从而动态调节热负荷，稳定温度。

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成果掠影

近期，香港中文大学徐建斌老师、浙江大学周毅老师、浙江大学马云贵老师团队联合开发了一种由优化厚度的Al，Si，VO2和ZnS薄膜制成的智能热涂层，可以被动地将物体(硅芯片)的温度维持在预定义的热窗口中，以避免真空中的过热或过冷。该技术采用多层结构，其中包含30 nm厚的VO2相变介质，在不同温度下对发射率具有300 %的调制深度。实验中，1.78 μm厚的智能涂层可使普通涂层的温度稳定性提高2.0倍。这项工作的潜力仍然在于热辐射，特别是在空间应用中的智能温度管理。研究成果以“Radiative thermal coats for passive temperature management”为题发表于《Applied Physics Letters》。

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图文导读

图1. 基于发射率可切换涂层的热稳态。(a）T<Tc时，呈现大辐射特性(b)T>Tc时，呈现大辐射特性。T是物体的温度，Tc是所用PCM的临界温度。

图2.  ( a )智能涂层的结构和参考文献A和B的结构。( b )理论发射率(角度平均)是加热(红色)和冷却(蓝色)过程中样品工作温度的函数。( c )在h1 = 0、30、60时，分别取介质(砖红色)、金属VO2 (黄色)和A (绿色)、B (灰色)试样的辐射光谱。( d )黑体(黑色)、样品(红色和蓝色)、参考A (绿色)和B (灰色)的理论辐射功率随工作温度的变化。

图3. ( a )多层涂层截面的SEM图像。( b ) VO2在介电(蓝色)和金属(红色)状态下复折射率的实部(实线)和虚部(虚线)。( c )在301 K (蓝色曲线)，353 K (红色曲线)和中间温度(颜色从蓝色到红色渐变)下的光谱发射率。加热和冷却过程的谱线分别用实线和虚线表示。参考文献A和B的实测光谱发射率分别用绿色和灰色实心线表示。( d )加热(红色)和冷却(蓝色)过程的平均发射率。

图4.  ( a )实验装置示意图。使用热成像仪捕获被智能涂层覆盖的本征硅。( b )以激光为输入(上面板)，试样和A、B参照物的温度变化曲线(下面板)。图中实线为理论计算，星点为实验测量。( c )在不考虑热传导的空间环境中，试样和A、B参考物的温度变化预测曲线。

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