来源 | Nano energy

链接 | https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111124

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背景介绍

随着 5G 通信基站、数据中心、智能车辆等第三代半导体集成技术的快速发展，户外电子设备的散热问题日益重要。传统空调冷却能耗高，加剧能源危机与温室气体排放。作为零能耗制冷策略，辐射冷却材料通过反射太阳辐射（0.3-2.5 μm）和在 8-13 μm 波段发射红外辐射散热，现有研究聚焦于高反射率与发射率材料（如有机光子薄膜、多孔陶瓷、层状涂层），但仅适用于非发热物体。发热功率器件运行时产生的热冲击温度（热流密度 > 150 W/m²）远高于环境温度，需材料兼具高导热性与辐射散热能力。现有辐射冷却材料因填料（如 h-BN）随机分布或多孔结构，热导率低（<2 W・m⁻¹・K⁻¹），无法快速传导热量。h-BN 的各向异性介电常数可增强背向散射，但取向对反射系数与热导率的影响未被充分研究，传统结构设计（如多孔、随机填料）难以平衡导热路径连续性与光子散射效率。

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成果掠影

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所虞锦洪、联合中科院理化技术研究所李永团队针对现有材料在应对持续发热设备的冷却方面存在局限，尤其是难以兼顾高热导率与高反射率的结构设计，本文提出一种具有Janus结构的热导辐射冷却膜。该薄膜通过真空辅助自组装构建SiO₂-BNNS 复合膜，上层SiO₂微球（2-10 μm）增强宽频红外发射，下层长程有序 BNNS（500 nm-3μm）同时提升面内热导率与太阳反射率。系统研究 BNNS 取向对导热与辐射性能的协同影响，解决高导热与辐射冷却结构的根本性矛盾，为发热器件散热提供新策略。结合理论模拟与实测验证揭示了BNNS取向对散射机制的调控作用，同时证实该Janus结构在高温被动散热条件下可有效降低设备温度约8°C。本研究提出了一种兼具光学调控与热导调控的新型复合结构设计，为热导型辐射冷却材料的发展提供了新的思路与结构范式。研究成果以“Thermal conductive radiative cooler enabled by Janus structure for above-ambient daytime cooling”为题发表在《Nano Energy》期刊。

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图文导读

图1.高热导与低热导辐射冷却器的设计与模型计算。

图2.SiO2-BNNS 薄膜的制备工艺及光谱性能。

图3.BNNS层的光学与热导性能。

图4. SiO2-BNNS 薄膜的光学性能。

图5. 不同材料的热导性能测试。

图6. SiO2-BNNS 薄膜的绝对辐射功率测试与户外实测。