一种新型辐射致冷薄膜

来源 | Applied Materials & Interfaces

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背景介绍

随着微电子器件技术、便携式或可穿戴电子器件以及航空航天工程的发展，散热已成为一个关键问题。特别是异型或柔性电子器件在外形和柔性上受到限制，许多传统的散热技术都不适用。因此，辐射冷却作为一种节能的散热技术受到了广泛的关注。在过去的几年中，各种RC薄膜被报道用于被动日间辐射冷却(PDRC)，其重点是有效地阻挡太阳辐照并在大气透射窗口(8 - 13 μm)内强发射，如超表面光子晶体和多层和混合聚合物材料。PDRC薄膜在建筑制冷、光伏制冷、集水、发电、和个人热管理等实际应用中显示出巨大的潜力。关于PDRC薄膜用于冷却电子器件的报道很少。著名的10°C规则指出，电子设备的可靠性与温度密切相关;当温度高于80℃时，每升高10℃，可靠性降低50%。因此，冷却电子设备是极其重要的。对于这种应用，调节所需温度对应的辐射冷却膜的辐射波长区域(发射率)，使其在特定的工作温度范围内达到自热和换热的平衡温度是一种有效的策略。同时，复杂的多层结构和精细的微纳米结构限制大面积生产，增加成本或延长加工时间。因此，在较宽的热辐射波长范围内，很难实现可控的宽带红外辐射。

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成果掠影

近期，北京航空航天大学王聪教授和孙莹教授联合开发制备了在中红外3.5 ~ 20 mm范围内超宽带红外辐射特性可调的柔性双层膜，且相应的辐射峰均具有较高的平均发射率。本文通过阻抗匹配设计了一种简单的TiN/Si双层薄膜，该薄膜的热辐射波长为3.5 ~ 20μm，具有可控的宽带辐射峰。同时，在不同温度下应用于铝器件的不同双层膜表现出出色的散热效率，并保持相应的平衡温度，确保器件长时间稳定工作。此外，沉积在柔性PI衬底上的双层膜比沉积在PDMS, PE, PMMA或TPX等上的现有辐射冷却材料具有更好的热稳定性和更高的拉伸强度。为实现柔性电子器件和航天器的高效辐射冷却提供了有效的策略。研究成果以“Efficient Strategy for Radiative Cooling Based on Ultra-Broad-Band Infrared Regulation of Flexible Bilayer Film”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。

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图文导读

图1. (a、b)卫星内部的发热装置和室内计算机工作站用双层薄膜覆盖，(c)不同工作温度下的器件被具有不同辐射峰。

图2. 双层膜的制备过程示意图。

图3. 复合薄膜的微观结构。

图4. 复合薄膜的结构表征。

图5. 双层膜沉积在基底上的结构图和柔韧性以及光谱。

图6. 在不同加热温度下双层膜的实际辐射冷却性能。

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