摘要：炎炎烈日下，通信基站、移动电子设备等户外设施如同置身“烤箱”，持续太阳辐射与瞬时高功率热冲击的双重夹击，不仅威胁设备寿命，更可能引发安全隐患。传统热管理方案如辐射制冷材料虽能降温，但制冷功率不足；相变材料虽可缓冲热冲击，却因泄漏问题难堪重任。如何让电子设备在极

结合日间辐射冷却与高效抗热冲击的热管理解决方案

炎炎烈日下，通信基站、移动电子设备等户外设施如同置身“烤箱”，持续太阳辐射与瞬时高功率热冲击的双重夹击，不仅威胁设备寿命，更可能引发安全隐患。传统热管理方案如辐射制冷材料虽能降温，但制冷功率不足；相变材料虽可缓冲热冲击，却因泄漏问题难堪重任。如何让电子设备在极端环境下“冷静生存”？南方科技大学孙大陟团队的最新研究给出了答案——一种防泄漏包裹式冷却器，通过辐射制冷与相变材料的协同创新，该冷却器在阳光直射下可达到平均4.8°C的亚环境温降，并在2000 W m−2的热冲击下实现最大35.3°C的瞬时温降。其独特的防泄漏设计和多层功能结构（辐射冷却层、相变层、高导热底层）有效解决了传统相变材料在相变过程中的泄漏问题，同时通过温度钉扎效应和热时移效应缓冲热冲击，为户外电子设备提供了全天候、高可靠的热管理方案。

工作介绍

近日，南方科技大学孙大陟副教授团队提出了一种新型防泄漏包裹式冷却器，通过多层功能集成与材料优化，攻克了相变材料泄漏与热冲击失效的难题。该冷却器的核心设计包括：

1.高反射/高发射辐射冷却层：h-BN/PDMS复合涂层（40 wt.% h-BN）在太阳光谱范围（0.3–2.5 μm）反射率达92%，大气窗口（8–13 μm）发射率达94%，实现高效日间亚环境制冷。

2.防泄漏相变层：石蜡（PW）通过h-BN/PDMS涂层的力学包裹，在热冲击和机械载荷下无泄漏，其潜热存储通过固-液相变吸收瞬时热量，形成温度钉扎效应。

3.高导热界面层：h-BN/PDMS涂层的面内与面外导热系数分别达1.3 W m-1 K -1 和1.0 W m -1 K -1 ，快速传导热量至相变层，避免热堆积。

实验表明，该冷却器在阳光直射下平均温降较传统辐射材料提升2.2°C，且在2000 W m−2热冲击下，器件表面温度较未保护状态降低35.3°C。此外，其疏水表面（接触角118.3°）和长期稳定性（60天户外暴露后辐射制冷性能无明显下降）进一步保障了户外应用的可靠性。通过结合辐射制冷与相变材料的互补优势，本研究为极端环境下电子设备的被动热管理提供了兼具高效性、鲁棒性与实用性的创新解决方案。

图1. 传统薄膜冷却器和包裹式冷却器的设计和热模型计算 a) 两种冷却模型的示意图。 b) 不同冷却模式下加热器温度与热冲击功率之间的关系。 c) 不同热冲击功率对包裹冷却器稳态时间的影响。

图 2. 辐射冷却涂层的光学和热学特性 a) h-BN 板的 SEM 图像和直径分布。 b) PDMS 基体中直径相同（1 µm）但厚度不同的 h-BN 板的散射效率（0.25-2.5 µm 波长）计算结果。 c) PDMS 基体中直径不同但厚度相同（0.2 微米）的 h-BN 板的计算散射效率（0.25-2.5 微米波长）。 d) 不同 h-BN 厚度的 h-BN/PDMS 复合材料（0.e) 不同 h-BN 含量的 h-BN/PDMS 复合材料（厚度为 0.5 毫米）在 2.5-16 μm 范围内的发射光谱。g) h-BN 板在 PDMS 基体中的分布示意图。 h) 含有 40 wt% h-BN 的冷却涂层的 SEM 图像。 i) 含有 40 wt% h-BN 的冷却涂层在 XY 和 XZ 方向上的 XRD 图样。

图 3. 辐射冷却涂层和包裹冷却器的综合性能 a) 不同 h-BN 含量的 h-BN/PDMS 复合材料的应力-应变曲线和 b) 韧性；c) PW 相变材料在 20-100 ℃冷却和加热过程中的 DSC 曲线；d) 包裹冷却器的照片。f) 在 60 秒加热和 120 秒冷却过程中，加热器与不同 TIMs（包括空气、薄膜冷却器和包裹冷却器）的温度比较。 g) 加热器与不同 TIMs 在加热和冷却过程中的典型红外热图像。

图 4 薄膜冷却器和包裹冷却器的亚环境冷却性能 a) 2024年10月22日在中国深圳进行室外测量时，环境空气、裸露加热器、覆盖薄膜冷却器的加热器和包裹冷却器的温度。黄色区域表示白天的太阳辐照度。d) 2024年10月12日0:00至19:00在中国深圳进行室外测量时，环境空气、裸加热器、覆盖薄膜冷却器的加热器和包裹冷却器的温度。 e）08:00-12:00 和 f）15:00-19:00 期间样品与环境空气之间相应的局部温度变化和温差。

图 5. a) 在 2000 W m-2 的热冲击下，不同冷却器在不同持续时间内的温度变化和温度差；b) 不同冷却器在不同持续时间内的温度变化和温度差；c) 热冲击阻力下，包裹冷却器在熔化和冻结过程中的传热模型；d) 不同冷却器在夜间热冲击下的温度变化和温度差；e) 不同冷却器在夜间热冲击下的温度变化和温度差；f) 在不同热冲击功率密度下，裸加热器和包裹冷却器的温度变化比较。

结语

这项研究为户外电子设备的热管理提供了一种高可靠性的解决方案，通过材料设计与结构创新突破了传统技术的瓶颈。防漏包裹式冷却器不仅适用于现有户外设备，还为下一代低功耗、高稳定性电子系统的开发奠定了基础。该成果以“A Leakage-proof Wrapped Cooler with Daytime Radiative Cooling and Efficient Thermal-shock Resistance for Outdoor Electronics Thermal Management”为题发表在《Advance Functional Materials》上。南方科技大学孙大陟副教授为该论文通讯作者，南方科技大学博士生杜清源和杨猛为该论文第一作者。

团队介绍：南方科技大学孙大陟教授团队长期致力于功能材料与热管理技术研究，在辐射冷却、相变储能等领域取得多项突破性成果。

课题组链接：

https://faculty.sustech.edu.cn/?tagid=sundz&iscss=1&snapid=1&orderby=date&go=2

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来源：澳辉侃科技