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本文展示了一种新型透明 4H-SiC 辐射冷却器，可降低微型投影仪温度，为电子设备散热提供创新方案。
### 研究背景
增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术近年来发展迅速，其眼镜设备在娱乐、教育等多领域广泛应用。然而，随着设备功能增强、体积缩小，发热问题愈发严重。使用时，集中加热区域最高温度超 60°C，这不仅降低电池性能，还可能导致用户不适甚至受伤。
目前电子设备常用的散热方法有热传导和热对流。热传导通过高导热率（HTC）材料将热量从发热部件传递到冷却端，常用于中央处理器和发光二极管（LED）照明；热对流则是通过流体（主要是空气）运动传热，分为自然对流（如铜鳍片、热虹吸管热管）和强制对流（如风扇、泵送液体冷却）。但这两种方法通常需要特殊冷却系统或额外散热区域，会加重电池负担，不利于设备小型化。
辐射冷却作为另一种散热方式，通过调节发射电磁波波长与大气窗口匹配，使热量穿过大气层散发到约 3K 的外太空，实现与太空冷环境的热交换，且无需额外电能、不产生废热，已在建筑、车辆、纺织品等领域应用。此前有研究提出在玻璃上设计多层结构的透明辐射冷却器，但多采用低导热材料，限制了散热效果。因此，如何将辐射冷却与高导热材料结合，并应用于 AR 设备的散热成为挑战。
研究设计
为解决 AR 眼镜散热难题，研究人员提出创新方案，将光学镜片作为散热部件，利用其大面积实现辐射冷却功能。他们选用半绝缘碳化硅（SiC）作为智能眼镜镜片材料，并在其表面设计多层结构，作为抗反射层和红外发射器，满足镜片透光性和冷却能力的双重要求。
根据热力学平衡定律，净冷却功率由表面热辐射、表面与环境间的传导和对流换热、太阳吸收能量以及大气辐射四部分组成。提高散热效率的有效方法是增强热辐射和非辐射热交换（传导和对流），同时避免在太阳光谱（0.3 - 2.5μm）吸收能量。热辐射与物体表面发射率和发射面积有关，而大气在 8 - 14μm 波长范围透明度高，称为大气窗口，优化此窗口内的发射率可实现高效散热。
SiC 作为冷却镜片基板有独特优势。其室温下热导率高达 347W/mK，远高于石英；同时，因其宽带隙（3.23eV），在可见光下呈半透明，利于提高冷却器透明度。但裸 SiC 在可见光谱的固有透射率低于 0.6，辐射冷却性能也需提升，因此研究人员在 SiC 基板上设计纳米级多层膜。
多层膜由高折射率材料（如 TiO2，n = 2.32）和低折射率材料（如 SiO2，n = 1.46）交替组成，在大气窗口作为发射器，利用多层干涉原理使设备在可见光下高度透明。每层厚度通过非线性单纯形算法优化，以提高可见光透射率。同时，选用氧化铟锡（ITO）作为中间层，因其在可见光透明、在中红外（MIR）光高反射，能与吸收层形成不对称法布里 - 珀罗（FP）腔，增强大气窗口内的吸收，减少多层膜厚度需求。此外，设计中还考虑了蓝光阻挡，以保护用户眼睛健康。最终设计的冷却器在 8 - 14μm 波长范围内平均发射率为 0.76，在 455 - 700nm 波长范围内平均透射率为 0.97。
实验验证
在非线性单纯形优化后，确定了 SiC 表面多层膜的最终结构和每层厚度，两侧总厚度均为 1.54μm。研究人员据此制备了 HTC 透明辐射冷却器，并对其性能进行测量。
利用磁控溅射在半绝缘 4H-SiC 上沉积 ITO 薄膜，用电子束蒸发交替沉积氧化硅和氧化钛层。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，沉积层与设计相符。通过 UV - 可见（UV-vis）近红外（NIR）分光光度计测量，裸半绝缘 4H-SiC 在 400 - 700nm 范围内平均透射率仅为 0.55，而涂覆后的 4H-SiC 透射率提高到 0.76，在 455 - 700nm 设计范围内，平均透射率从 0.56 显著提高到 0.91，证明多层结构在增强透射率和阻挡蓝光方面的有效性。
用频域热反射（FDTR）测量多层薄膜的热导率，结果显示其面内热导率为 4.417W/m?K，面外热导率为 2.742W/mK，多层膜与 SiC 基板间的界面热阻为 1.686×106W/(m2K)。有限元模型模拟表明，在薄膜厚度尺度上，多层膜对热传导影响较小。
测量涂覆 4H-SiC 在太阳光谱的吸收，发现其在 0.3 - 2.5μm 波长范围内吸收率低；用傅里叶变换红外光谱（FTIR 光谱）测量其在大气窗口的吸收率，结果显示多层结构使 SiC 平均吸收率从 0.49 提高到 0.78，测量数据与模拟结果高度一致。
通过热板模拟电子设备热源，用红外相机测量不同样品在大气窗口的辐射温度，计算得出石英、裸 SiC 和涂覆 SiC 的发射率分别为 0.9、0.59 和 0.8，证明多层膜增强了样品在大气窗口的辐射性能。将裸 SiC、涂覆 SiC 和石英垂直放置在热板上加热，红外相机观察发现 SiC 热分布更均匀，显示出其优越的热导率，能有效散热。
为减少镜片面向人眼一侧的热辐射，研究人员设计了不对称辐射镜片，将 ITO 层置于吸收层外侧，并在最外层添加 SiO2层。制备的样品在 455 - 700nm 范围内平均可见光透射率为 0.89，接近模拟值 0.95；在大气窗口，高辐射侧平均发射率为 0.72，低辐射侧为 0.25，与模拟值相符，验证了设计的有效性。
将微型投影仪分别与涂覆 SiC 晶圆和裸 SiC 晶圆连接进行实验，在室外晴朗天空下，涂覆 SiC 使微型 LED 投影仪温度从 50.3°C 降至 27.2°C，降低了 23.1°C，而裸 SiC 仅使温度下降 17.7°C；在室内，连接涂覆 SiC 镜片的 DLP 微型投影仪表面温度从 54.3°C 高于环境温度降至 40.4°C，且在有空气对流时，涂覆 SiC 镜片的散热效果更显著，再次证明新型透明辐射冷却器的高效冷却能力。
稳定性和耐久性评估
实际应用中，智能眼镜镜片的稳定性至关重要。研究人员按照商业眼镜标准，对涂覆 SiC 镜片进行了一系列严格测试。
在湿热环境下进行 340nm 紫外线照射 120h（65°C，喷水，符合 ASTM G155 - 2021 标准）后，镜片在 400 - 700nm 范围内平均可见光透射率保持在 0.746，平均发射率从 0.755 略微增加到 0.761。经过 5 次 85°C 至 - 65°C 的热循环（每次温度保持 2.5h，符合 GB/T 12085.2 - 2022 标准），镜片光学性能变化可忽略不计。将镜片浸入 37°C 的 4.5wt% 氯化钠溶液 7h（符合 GB 10810.4 - 2012 标准）后，可见光透射率和红外发射率变化极小。此外，镜片的耐磨性和表面硬度也符合商业眼镜镜片的性能要求，表明其具有良好的稳定性和耐久性。
研究总结
本研究提出了一种智能眼镜热管理方案，将热导体、大气窗口红外发射器与辐射冷却相结合。使用 SiC 替代传统石英镜片，利用其高导热性和可见光半透明性，结合表面多层膜结构优化性能。这种方案不仅提高了散热性能，还减轻了眼镜重量、延长了电池寿命，有望推动智能眼镜向更轻薄、视野更广阔的方向发展。同时，该策略在其他具有透明组件的电子设备，如智能手机、电脑和太阳能电池等领域也具有潜在应用价值，为电子设备散热提供了创新思路和有效解决方案。
