文獻前沿丨Chemical Engineering Journal：具備優異輻射冷卻與電子器件熱管理性能的新型雙層復合材料

隨著全球能源危機與環境問題加劇，建筑及電子器件制冷能耗持續攀升，傳統有源制冷高耗能、高污染的弊端凸顯。將被動輻射冷卻與相變儲能相結合的技術雖因零能耗、智能溫控優勢備受關注，但現有復合策略多采用微膠囊摻雜或多層涂覆，難以兼顧高光學性能、高儲能密度與結構穩定性。為此，本研究設計了一種新型氣凝膠-纖維膜-相變材料（Aerogel, fiber membrane, and phase change material，AFP）雙層復合輻射冷卻材料，以聚丙烯腈/聚四氟乙烯（Polyacrylonitrile/Polytetrafluoroethylene，PAN/PTFE）電紡纖維膜為上層輻射冷卻層，聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl alcohol/Polyvinyl pyrrolidone，PVA/PVP）交聯氣凝膠為下層封裝載體，通過真空浸漬法負載聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）相變工質。通過調控聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）與聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone，PVP）質量比，篩選出性能最優的比例為2:1（ratio of 2:1，A21FP）制備的樣品。該材料太陽光譜波段反射率達93.0%，大氣窗口發射率達91.11%，熱儲能密度為135.87J/g，200次熱循環后性能衰減極小，泄漏率僅5.8%。戶外實測較裸器件降溫30.18℃，電子芯片模擬中3W功率下降溫35.78℃。該材料為節能建筑制冷、電子器件熱管理等領域提供了高效解決方案，兼具工程應用價值與節能環保意義。相關工作以A novel double-layer composite material with excellent radiative cooling and thermal management for electronic devices為題發表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文圍繞集成被動輻射冷卻與相變儲能以提升熱管理效能，設計了基于PAN/PTFE纖維膜與PVA/PVP氣凝膠封裝PEG的新型雙層復合材料。首先，文章展示了AFP復合材料的雙層結構制備流程（圖1）；通過SEM圖像確認了纖維膜層與氣凝膠層的微觀形貌及界面結合（圖2a-h）；XRD圖譜揭示了PEG在氣凝膠骨架中保持良好的結晶性（圖4c）；應力-應變曲線表明A21F樣品在80%應變下壓縮應力達2072.5kPa（圖3b）；DSC測試顯示A21FP熔融焓為135.87J/g，200次循環后衰減低于1%（圖5e-f）；泄漏實驗證實A21FP泄漏率僅5.8%（圖6b）；芯片熱管理模擬表明A21FP較裸芯片溫降達35.78°C（圖7b）；光譜測試顯示A21FP太陽反射率達93.0%，大氣窗口發射率達91.11%（圖8a）；戶外實測中該復合材料較空白裝置實現最高30.18°C的顯著溫降（圖8c-d）。結果表明，該復合材料兼具高反射率、高發射率、高儲能密度與優異循環穩定性，在建筑節能與電子器件熱防護領域具有廣闊應用前景。

圖1.PVA@PVP/PEG氣凝膠與PAN/PTFE纖維膜復合材料的制備流程示意圖。

圖2.（a）AF復合材料的結構示意圖及AF復合材料纖維膜層與氣凝膠層的SEM圖像。（b）AF復合材料的數碼照片。（c）PAN/PTFE纖維直徑分布直方圖。（d-g）A11F、A21F、A31F和A12F樣品氣凝膠層的SEM圖像。（h）AF復合材料橫截面的SEM圖像。（i）AF復合材料與PAN/PTFE薄膜的XRD圖譜。

圖3.（a）AF復合材料立于薄葉片上的數碼照片。（b）所有AF樣品的應力-應變曲線。（c）所有AF樣品的壓縮模量。（d）PVA、PVP及AF復合材料的FT-IR光譜圖。

圖4.（a）AFP復合材料的SEM圖像。（b）PEG、AF及所有AFP樣品的FT-IR光譜圖。（c）PEG及所有AFP樣品的XRD圖譜。（d）光熱轉換測試裝置示意圖。（e）所有AFP樣品的溫度-時間曲線。（f）A21FP光熱轉換性能的熱成像圖。（g）通過有限元分析獲得的A21FP液相分布示意圖。（h）通過有限元分析獲得的A21FP溫度分布示意圖。

圖5.所有AFP樣品的（a）DSC曲線。（b）熔融焓、結晶焓及相變溫度。（c）150次熱循環前后的熔融焓與結晶焓。（d）150次熱循環前后的相變溫度。（e）A21FP樣品在200次熱循環前后的DSC曲線。（f）A21FP樣品在200次熱循環前后的熔融焓、結晶焓及相變溫度。

圖6.（a）PEG及所有AFP樣品泄漏實驗的形貌照片。（b）PEG及所有AFP樣品的泄漏率。

圖7.（a）電子芯片熱管理模擬實驗示意圖。（b）覆蓋純PEG、A21FP及無覆蓋的模擬芯片在3W功率下加熱的溫度-時間曲線。（c）覆蓋純PEG、A21FP及無覆蓋的模擬芯片在4W功率下加熱的溫度-時間曲線。（d）覆蓋純PEG、A21FP及無覆蓋的模擬芯片在2W功率下加熱的溫度-時間曲線。（e）A21FP復合材料分別在2W、3W和4W功率下加熱420秒的溫度-時間曲線。

圖8.（a）所有AFP樣品的太陽反射率及中紅外發射率。（b）戶外測試裝置數碼照片。（c）戶外測試期間所有AFP樣品的溫度變化曲線。（d）A21FP樣品與裸露裝置之間的溫度差值。（e）太陽輻射強度。A21FP在（f）日間和（g）夜間的理論凈輻射冷卻功率。

小結：本研究提出了一種相變材料封裝的新策略。將PAN/PTFE輻射冷卻纖維膜與PVA/PVP氣凝膠相結合，當PVA與PVP質量比為2:1時，由于共價縮醛化與氫鍵相互作用的協同效應，所制備的氣凝膠層（A21F）展現出優異的機械強度（2072kPa）。經真空浸漬后，所得的A21FP復合材料具有93.0%的高太陽反射率和91.11%的大氣窗口高發射率，同時具備135.87J/g的熱能存儲密度以及出色的熱穩定性和形狀穩定性。得益于輻射冷卻與潛熱儲存的協同作用，在戶外條件下，A21FP復合材料相較于裸露裝置實現了高達30.18°C的顯著溫降。然而，AFP復合材料的多步制備工藝及疏水性不足對其規模化制備和長期耐久性構成挑戰，仍有待進一步優化。本研究為相變儲能與被動輻射冷卻的集成提供了一種新策略，在節能建筑、電池熱管理及電子器件冷卻領域展現出巨大潛力。

論文信息：Haoxin Lv, Haixuan Liu, Jiahui Lin, Jintao Huang, Hanlin Xie, Xiaofeng Li, Yonggang Min, Xiang Lu. A novel double-layer composite material with excellent radiative cooling and thermal management for electronic devices. Chemical Engineering Journal,2026,535:175388.

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