来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202501646

01

背景介绍

随着人工智能技术推动户外电子设备向高功率密度与微型化加速发展，5G基站、LED芯片及无人机等设备的热流密度呈现指数级增长，对设备热管理提出严峻挑战。被动日间辐射制冷（PDRC）技术通过大气透明窗口（8-13μm）向宇宙深冷空间辐射散热，展现出零能耗散热技术的独特优势。然而，现有PDRC材料受限于本征热导率不足和非辐射传热路径缺失的双重制约，在强太阳辐照与超高热流密度的综合作用下，其热管理效能显著衰减，难以满足新一代电子器件的持续稳定运行需求。

02

成果掠影

近日，上海理工大学顾敏院士、张轶楠、王彤团队受鲍鱼壳有序"砖-泥"结构的仿生启示，创新性地设计了六方氮化硼/聚乙烯醇（Bio-h-BN/PVA）仿生复合薄膜。团队通过真空辅助过滤工艺，实现了h-BN纳米片在PVA基体中的高度定向组装，使Bio-h-BN/PVA复合薄膜兼具高太阳反射率、宽带中红外发射率以及高热导率（23.6 W/mK）。该研究的核心创新之处在于将仿生结构设计与多物理场耦合机制相结合，通过优化导热路径与光散射界面，同步提升热传导与辐射制冷效率，显著降低了户外电子设备的热平衡温度，并进一步揭示了非辐射换热系数对户外电子设备热管理的关键作用。该成果为应对人工智能芯片所面临的高能耗挑战提供了重要技术支撑，也为"双碳"目标下新一代高功率户外电子设备的可靠运行开辟了新路径。研究成果以“Bioinspired Design of Thermally Conductive Radiative Cooling Structure for Outdoor Electronic Devices”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

03

图文导读

图1.多模态散热概念设计。a) 电子设备的可靠性随工作温度的变化，b) 宽带发射器和选择性发射器的理想发射光谱，c) 宽带发射器和选择性发射器的净辐射冷却功率计算，d) 综合传热系数分别为0、1、3和6.9 Wm-2K-1的净辐射制冷功率计算，e) 应用于户外电子设备的Bio-h-BN/PVA复合薄膜示意图，展示其具有高太阳反射率、中红外发射率和热导率。

图2.Bio-h-BN/PVA复合薄膜的微观形态表征及光谱响应。a-c) 高度整齐排列的层状结构的天然鲍鱼壳的照片和扫描电子显微镜图像，d-f) Bio-h-BN/PVA复合薄膜的照片、横截面扫描电子显微镜图像和元素分布（f1-f4），g) Bio-h-BN/PVA复合薄膜、Random-h-BN/PVA复合薄膜和纯PVA薄膜的太阳反射率和中红外发射率，h) Bio-h-BN/PVA复合薄膜的ATR-FTIR光谱。

图3.热导率对比及传热机制。a) Random-h-BN/PVA和Bio-h-BN/PVA复合薄膜的对比示意图，b) 纯PVA薄膜、Random-h-BN/PVA和Bio-h-BN/PVA复合薄膜的热导率，c，d) 纯PVA薄膜、Random-h-BN/PVA和Bio-h-BN/PVA复合薄膜的热传递路径示意图和红外热像图，e–h) Random-h-BN/PVA和Bio-h-BN/PVA复合薄膜在全局热源和局部热源下非辐射换热的数值模拟。

图4. Bio-h-BN/PVA复合薄膜的性能及应用。a) 室内温度曲线，b)不同输入功率下Bio-h-BN/PVA复合薄膜、Random-h-BN/PVA复合薄膜、纯PVA薄膜和铝板的热发射率，c）Bio-h-BN/PVA复合薄膜的净辐射冷却功率计算，d) 户外温度曲线，e) Bio-h-BN/PVA复合薄膜的耐污测试，f,g) 集成Bio-h-BN/PVA复合薄膜的移动设备照片和温度曲线，h,i)集成纯PVA薄膜和Bio-h-BN/PVA复合薄膜的LED广告牌照片及红外热图像。

图5. Bio-h-BN/PVA复合薄膜的性能及应用。a) 室内温度曲线，b)不同输入功率下Bio-h-BN/PVA复合薄膜、Random-h-BN/PVA复合薄膜、纯PVA薄膜和铝板的热发射率，c）Bio-h-BN/PVA复合薄膜的净辐射冷却功率计算，d) 户外温度曲线，e) Bio-h-BN/PVA复合薄膜的耐污测试，f,g) 集成Bio-h-BN/PVA复合薄膜的移动设备照片和温度曲线，h,i)集成纯PVA薄膜和Bio-h-BN/PVA复合薄膜的LED广告牌照片及红外热图像。