辐射耦合蒸发冷却水凝胶：突破环境温度限制的热耗散与阻燃一体化解决方案

为解决户外电子设备在高温环境下热管理难题，研究人员开发了一种基于光子水凝胶的辐射耦合蒸发冷却(REC)技术。该研究通过整合辐射冷却(RC)和蒸发冷却(EC)优势，设计出含PDMAPS、LiCl、hBN纳米片和Al2O3的一体化水凝胶，实现白天12.0°C优于传统RC膜的降温效果，夜间通过RC辅助吸附实现大气集水(AWH)，同时显著提升阻燃性能。这项发表于《Nano-Micro Letters》的工作为户外设备提供了高效被动热管理新策略。

　　

随着电子设备功率密度持续攀升，热管理已成为影响性能的关键因素。户外设备如基站、变压器等面临双重挑战：阳光直射导致工作温度飙升，传统空调系统又存在高能耗和制冷剂污染问题。更棘手的是，现有被动冷却技术各自存在瓶颈——辐射冷却(RC)材料受限于150 W/m²的冷却功率和聚合物易燃特性，而蒸发冷却(EC)则因水的太阳光吸收和被动供水难题难以持续运作。这种困境呼唤着能同时实现高效热耗散、自维持水循环和防火安全的新型解决方案。

针对这一技术瓶颈，Qin Ye等研究者创新性地提出辐射耦合蒸发冷却(REC)水凝胶设计。这项发表于《Nano-Micro Letters》的研究通过整合聚两性离子水凝胶(PDMAPS)、吸湿盐(LiCl)、六方氮化硼(hBN)纳米片和氧化铝(Al₂O₃)，构建出具有光谱调控、水分管理和阻燃特性的多功能材料体系。研究团队采用溶液聚合法制备水凝胶基质，通过浸渍法负载LiCl，利用光谱仪测定0.3-17 μm波段的光学特性，结合室内外实验平台系统评估热耗散性能，并采用酒精灯燃烧测试验证阻燃效果。

【工作原理】理论分析表明，理想REC在1000 W/m²加热功率下可比纯RC多降低52.2°C温差。计算证实增加对流系数h_c能显著增强冷却效果，当h_c从4增至16 W m^-2 K^-1时，REC温差从15.8降至-1.6°C。气象参数模拟显示，尽管高相对湿度(RH)会削弱RC性能，但REC在30-70% RH范围内仍保持稳定蒸发速率。

【材料表征】制备的REC水凝胶展现0.872太阳反射率(Rsolar)和0.937长波红外发射率(εLWIR)。SEM显示其具有多孔结构，XRD证实hBN和Al₂O₃均匀分散。热重分析显示80%含水率，差示扫描量热测得2169 J/g的蒸发焓，虽低于纯水(2389 J/g)，但仍远高于常规相变材料。

【室内性能】在510 W/m²加热功率下，含LiCl水凝胶实现37.6°C的工作温度，比纯水凝胶低2.7°C。厚度优化实验表明6 mm水凝胶能平衡热阻(0.012 m² K/W)与水分供给。循环测试证实，在1020 W/m²(白天)和100 W/m²(夜间)交替负载下，系统能维持稳定温度(63.5°C)和质量平衡。

【阻燃性能】酒精灯测试中，传统SEBS@hBN RC膜30秒内升温至335°C并起火，而REC水凝胶保持82°C且无明火。厚度增加可进一步改善基材保护，6 mm水凝胶包裹木材能承受1200秒火焰考验。

【户外验证】实地测试显示，在1020 W/m²白天负载下，REC水凝胶比RC膜和裸基材分别低12.0°C和22.4°C。夜间100 W/m²负载时，通过RC辅助吸附实现0.369 kg/m²的水分捕获。三日循环实验证实系统能自主适应昼夜工况变化，材料成本约66.04 $/m²/mm。

这项研究开创性地将辐射冷却与蒸发冷却协同效应应用于超环境温度热管理，其科学价值体现在三个方面：首先，通过hBN纳米片和Al₂O₃的协同散射构建了光谱选择性表面，突破传统RC材料的光学限制；其次，利用LiCl的吸湿-解吸平衡实现自维持水循环，解决EC技术的水源供给难题；最后，水凝胶的相变储热特性为电子设备提供了本质安全防护。这种"冷却-阻燃"双功能设计为5G基站、光伏电站等户外设备的热管理提供了新范式，其66.04 /m²/mm的材料成本展