随着全球温室气体排放持续增加与能源短缺问题日益严峻，高效冷却技术已成为实现可持续发展的重要途径。传统冷却系统如空调占全球建筑用电约10%，进一步加剧温室效应。被动辐射冷却（PRC）技术，尤其是日间被动辐射冷却（PDRC），通过利用地球表面（约300 K）与外太空（约3 K）之间的巨大温差，在无需外部能量输入的情况下，通过大气透明窗口（8~13 μm）将热量以红外辐射形式散发至太空，实现高效环保的冷却效果。然而，当前辐射冷却材料多适用于常温环境，如个人热管理和建筑节能，而在高温场景（如汽车发动机80~120°C、通信基站70~80°C、化工设备150~200°C）下面临热稳定性不足、导热性能差等挑战，难以实现有效冷却。

近日，东华大学李克睿研究员与侯成义研究员成功研制出一种具有增强导热性和高温稳定性的高性能光子薄膜，为高温环境下的辐射冷却提供了创新解决方案。该薄膜以可熔融加工的全氟烷氧基（PFA）聚合物为基体，嵌入二维六方氮化硼（h-BN）介电纳米片，不仅能在200°C高温下保持长期稳定性，还具有优异的导热性能，可显著提升高温设备的散热效率。实验表明，该薄膜在太阳光波段反射率高达97.36%，中红外发射率为86%，在8000 W/m²加热条件下可实现最高30°C的降温效果。相关论文以“High-Performance Photonic Films with Enhanced Thermal Conductivity and High-Temperature Stability for Radiative Cooling”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。

研究团队通过球磨和热压工艺制备出BN-PFA复合光子薄膜，其微观结构显示h-BN纳米片均匀分布（图1b），粒径集中在400~600 nm（图1c），与太阳可见光谱匹配，基于米氏散射理论实现高效太阳光散射。X射线衍射（XRD）和红外光谱（图1d）证实材料中PFA与BN的晶体结构和化学键特征。该薄膜在太阳光波段反射率达97.36%，中红外发射率为86%（图1e），在大气窗口8~13 μm波段表现出高发射率（图1f），夜间可实现约7°C的冷却效果。理论计算显示，其夜间净冷却功率可达116.17 W/m²（图1g）。

图1. 光子薄膜的应用场景、光谱特性与冷却效果。

高温稳定性测试表明，该光子薄膜的热分解起始温度超过600°C，熔点为313°C（图2a,b），远优于常见辐射冷却聚合物如PDMS、PVDF、PMMA等（图2c）。在200°C热台上持续放置一周后，其机械性能与太阳反射率几乎无变化（图2e），且具备阻燃特性（图2f），在酒精灯火焰下放置30秒仍不燃烧。

图2. 光子薄膜的长期耐高温性与热稳定性测试。

导热性能测试显示，随着h-BN体积分数增加，复合材料导热率逐步提升，在40%体积分数时达1.25 W/（m·K）（图3a），在250°C以下始终保持高于1 W/（m·K）的导热率（图3b），比传统材料高一个数量级。在200°C热源下，光子薄膜表面温度高于纯PFA薄膜（图3c），表明其更高效地将热量从设备内部传导至表面并散发至环境中（图3d,e）。在200°C高温环境下，该薄膜比纯PFA薄膜降温约30°C。

图3. 光子薄膜的导热性能测试与展示。

日间亚环境冷却测试中，光子薄膜在800 W/m²太阳辐射下实现低于环境温度的冷却效果（图4c），日间冷却功率计算为81 W/m²（图4d）。在模拟高温设备测试中（8000 W/m²加热功率），光子薄膜比纯PFA薄膜低约30°C（图4e），且优于其他聚合物材料（图4f）。在不同功率加热测试中（2000~3600 W/m²），光子薄膜均表现出显著的冷却效果。

图4. 光子薄膜在日间亚环境与高温环境下的冷却性能测试。

实际应用演示中，夏季中午覆盖光子薄膜的铁箱表面温度低于未覆盖箱体，内部温度进一步降低（图5a）。与商用白漆（反射率88%，发射率79.5%）相比，光子薄膜反射率（97%）和发射率（86%）更高，表面温度低约5°C。夜间测试中，光子薄膜通过辐射散热使内部温度降低18°C（图5b）。粘贴在汽车发动机表面后，在18°C环境温度下45分钟内实现最高17°C的冷却效果（图5c）。此外，该薄膜还具备抗紫外线老化（图S20）和疏水（接触角120°）特性，适用于户外长期使用。

图5. 光子薄膜在不同环境与场景中的热成像与冷却性能测试演示。

该研究通过结合PFA的高温稳定性和h-BN的高导热与光学特性，成功开发出适用于高温环境的辐射冷却薄膜，兼具优异的热稳定性、导热性和冷却性能。该材料在汽车发动机、通信基站、化工设备等高温场景中展现出巨大应用潜力，未来有望实现规模化生产，推动辐射冷却技术在高热管理领域的新应用。

（来源：高分子科学前沿）