文献前沿丨Chemical Engineering Journal：具备优异辐射冷却与电子器件热管理性能的新型双层复合材料

随着全球能源危机与环境问题加剧，建筑及电子器件制冷能耗持续攀升，传统有源制冷高耗能、高污染的弊端凸显。将被动辐射冷却与相变储能相结合的技术虽因零能耗、智能温控优势备受关注，但现有复合策略多采用微胶囊掺杂或多层涂覆，难以兼顾高光学性能、高储能密度与结构稳定性。为此，本研究设计了一种新型气凝胶-纤维膜-相变材料（Aerogel, fiber membrane, and phase change material，AFP）双层复合辐射冷却材料，以聚丙烯腈/聚四氟乙烯（Polyacrylonitrile/Polytetrafluoroethylene，PAN/PTFE）电纺纤维膜为上层辐射冷却层，聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl alcohol/Polyvinyl pyrrolidone，PVA/PVP）交联气凝胶为下层封装载体，通过真空浸渍法负载聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）相变工质。通过调控聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）与聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone，PVP）质量比，筛选出性能最优的比例为2:1（ratio of 2:1，A21FP）制备的样品。该材料太阳光谱波段反射率达93.0%，大气窗口发射率达91.11%，热储能密度为135.87J/g，200次热循环后性能衰减极小，泄漏率仅5.8%。户外实测较裸器件降温30.18℃，电子芯片模拟中3W功率下降温35.78℃。该材料为节能建筑制冷、电子器件热管理等领域提供了高效解决方案，兼具工程应用价值与节能环保意义。相关工作以A novel double-layer composite material with excellent radiative cooling and thermal management for electronic devices为题发表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文围绕集成被动辐射冷却与相变储能以提升热管理效能，设计了基于PAN/PTFE纤维膜与PVA/PVP气凝胶封装PEG的新型双层复合材料。首先，文章展示了AFP复合材料的双层结构制备流程（图1）；通过SEM图像确认了纤维膜层与气凝胶层的微观形貌及界面结合（图2a-h）；XRD图谱揭示了PEG在气凝胶骨架中保持良好的结晶性（图4c）；应力-应变曲线表明A21F样品在80%应变下压缩应力达2072.5kPa（图3b）；DSC测试显示A21FP熔融焓为135.87J/g，200次循环后衰减低于1%（图5e-f）；泄漏实验证实A21FP泄漏率仅5.8%（图6b）；芯片热管理模拟表明A21FP较裸芯片温降达35.78°C（图7b）；光谱测试显示A21FP太阳反射率达93.0%，大气窗口发射率达91.11%（图8a）；户外实测中该复合材料较空白装置实现最高30.18°C的显著温降（图8c-d）。结果表明，该复合材料兼具高反射率、高发射率、高储能密度与优异循环稳定性，在建筑节能与电子器件热防护领域具有广阔应用前景。

图1.PVA@PVP/PEG气凝胶与PAN/PTFE纤维膜复合材料的制备流程示意图。

图2.（a）AF复合材料的结构示意图及AF复合材料纤维膜层与气凝胶层的SEM图像。（b）AF复合材料的数码照片。（c）PAN/PTFE纤维直径分布直方图。（d-g）A11F、A21F、A31F和A12F样品气凝胶层的SEM图像。（h）AF复合材料横截面的SEM图像。（i）AF复合材料与PAN/PTFE薄膜的XRD图谱。

图3.（a）AF复合材料立于薄叶片上的数码照片。（b）所有AF样品的应力-应变曲线。（c）所有AF样品的压缩模量。（d）PVA、PVP及AF复合材料的FT-IR光谱图。

图4.（a）AFP复合材料的SEM图像。（b）PEG、AF及所有AFP样品的FT-IR光谱图。（c）PEG及所有AFP样品的XRD图谱。（d）光热转换测试装置示意图。（e）所有AFP样品的温度-时间曲线。（f）A21FP光热转换性能的热成像图。（g）通过有限元分析获得的A21FP液相分布示意图。（h）通过有限元分析获得的A21FP温度分布示意图。

图5.所有AFP样品的（a）DSC曲线。（b）熔融焓、结晶焓及相变温度。（c）150次热循环前后的熔融焓与结晶焓。（d）150次热循环前后的相变温度。（e）A21FP样品在200次热循环前后的DSC曲线。（f）A21FP样品在200次热循环前后的熔融焓、结晶焓及相变温度。

图6.（a）PEG及所有AFP样品泄漏实验的形貌照片。（b）PEG及所有AFP样品的泄漏率。

图7.（a）电子芯片热管理模拟实验示意图。（b）覆盖纯PEG、A21FP及无覆盖的模拟芯片在3W功率下加热的温度-时间曲线。（c）覆盖纯PEG、A21FP及无覆盖的模拟芯片在4W功率下加热的温度-时间曲线。（d）覆盖纯PEG、A21FP及无覆盖的模拟芯片在2W功率下加热的温度-时间曲线。（e）A21FP复合材料分别在2W、3W和4W功率下加热420秒的温度-时间曲线。

图8.（a）所有AFP样品的太阳反射率及中红外发射率。（b）户外测试装置数码照片。（c）户外测试期间所有AFP样品的温度变化曲线。（d）A21FP样品与裸露装置之间的温度差值。（e）太阳辐射强度。A21FP在（f）日间和（g）夜间的理论净辐射冷却功率。

小结：本研究提出了一种相变材料封装的新策略。将PAN/PTFE辐射冷却纤维膜与PVA/PVP气凝胶相结合，当PVA与PVP质量比为2:1时，由于共价缩醛化与氢键相互作用的协同效应，所制备的气凝胶层（A21F）展现出优异的机械强度（2072kPa）。经真空浸渍后，所得的A21FP复合材料具有93.0%的高太阳反射率和91.11%的大气窗口高发射率，同时具备135.87J/g的热能存储密度以及出色的热稳定性和形状稳定性。得益于辐射冷却与潜热储存的协同作用，在户外条件下，A21FP复合材料相较于裸露装置实现了高达30.18°C的显著温降。然而，AFP复合材料的多步制备工艺及疏水性不足对其规模化制备和长期耐久性构成挑战，仍有待进一步优化。本研究为相变储能与被动辐射冷却的集成提供了一种新策略，在节能建筑、电池热管理及电子器件冷却领域展现出巨大潜力。

论文信息：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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