隨著第三代半導體技術的發展，5G通信基站、數據中心和智能汽車等戶外高熱流密度設備日益普及，這些設備在運行過程中會產生大量熱量。傳統的制冷方式如空調不僅能耗巨大，還會加劇全球能源危機和溫室氣體排放問題。因此，亟需發展高效、零能耗的被動冷卻技術。輻射冷卻作為一種無需電力消耗的降溫手段，已被廣泛研究用于非發熱物體。然而，現有材料在應對持續發熱設備的冷卻方面存在局限，尤其是難以兼顧高熱導率與高反射率的結構設計。為解決這一矛盾，本文提出一種具有Janus結構的熱導輻射冷卻膜，通過引入定向排列的氮化硼納米片（BNNS）與二氧化硅微球層，實現了高達95.4%的太陽反射率、94.9%的紅外發射率以及優異的面內熱導率（18.17 W/m·K）。實驗證明，該膜可有效降低發熱器溫度約8°C，展示了其在高溫被動散熱場景中的應用潛力。相關工作以Thermal conductive radiative cooler enabled by Janus structure for above-ambient daytime cooling發表在Nano Energy期刊。

本文首先設計了一種面向發熱設備的熱導型輻射冷卻器結構，并通過建模分析其熱傳導與輻射路徑，驗證了高熱導中間層對提升冷卻效率的重要性（圖1）。接著，作者采用真空輔助自組裝方法制備了具有Janus結構的SiO2-BNNS復合膜，并系統表征了其結構組成及光熱性能（圖2）。隨后，通過模擬與實驗相結合的方法，深入探討了BNNS取向結構對散射效率、熱導率和紅外透過率的影響，明確了有序排列對材料性能提升的機制（圖3）。為了進一步增強紅外發射性能，作者引入不同粒徑的SiO2微球構建散射層，提升了寬帶發射率，并評估了材料在變角入射下的反射穩定性（圖4）。在熱導性能測試中，實驗證明Janus結構可實現均勻散熱和高效降溫，尤其在高溫條件下展現出優越的冷卻能力（圖5）。最后，通過室內絕熱腔和戶外實地測試驗證了該薄膜在不同環境下的輻射冷卻效果，顯示出其在實際應用中將設備溫度降低約8°C的顯著能力（圖6）。

圖1. 高熱導與低熱導輻射冷卻器的設計與模型計算。(a) 兩種冷卻模式的示意圖。(b) 在不同加熱時間下，不同冷卻模式下輻射冷卻器表面溫度的計算結果。(c) 在不同加熱時間演化過程中，不同冷卻模式下輻射冷卻器各位置表面溫度的計算結果。(d) 表面熱輻射冷卻功率的計算結果。

圖2. SiO2-BNNS 薄膜的制備工藝及光譜性能。(a) SiO2-BNNS 薄膜的制備工藝示意圖。(b) 薄膜實物照片。(c-d) 薄膜的掃描電鏡（SEM）圖像。(e-g) 薄膜的能譜（EDS）圖像。(h) 材料的反射率與熱發射率光譜。背景中繪制了歸一化的太陽輻照度和大氣透過率（寧波，中國）。

圖3. BNNS層的光學與熱導性能。(a) BNNS 層的多重反射機制示意圖。(b) 不同轉角下的歸一化散射效率模擬結果。(c) BNNS 在0°與90°旋轉角下的電場分布。(d) BNNS 在0°與90°旋轉角下的偏振圖。(e) BNNS-CNF 薄膜在填料含量為60%至90%之間的反射率增強系數。(f) BNNS-CNF 薄膜在不同厚度下的面內熱導率。(g) BNNS-CNF 薄膜在不同厚度下的紅外透過率。

圖4. SiO2-BNNS 薄膜的光學性能。(a) 不同薄膜（BNNS-CNF、SiO2-CNF 和SiO2-BNNS，厚度為240 μm）的反射率與發射率。(b) 不同SiO2粒徑下SiO2-BNNS 薄膜的發射率。(c) 不同SiO2粒徑下的散射系數模擬結果。(d) 不同SiO2粒徑下的吸收系數模擬結果。(e) 室內光源加熱溫度測試裝置的示意圖。(f) 不同材料（無覆蓋、白紙、BNNS-CNF 和SiO2-BNNS 薄膜）覆蓋銅片在光照過程中的溫度變化。(g) SiO2-BNNS 薄膜的變角反射率光譜。(h) 不同入射角下SiO2-BNNS 薄膜的反射率值。

圖5. 不同材料的熱導性能測試。(a) 熱導型輻射冷卻機制示意圖。(b) 環形加熱測試系統。(c) 三種材料在30、60、90 和120 秒時的紅外熱成像圖。(d) 三種材料覆蓋熱源后從50°C自然冷卻的溫度變化。(e) BNNS-CNF 和SiO2-BNNS 薄膜在冷卻過程中的溫度差值。

圖6. SiO2-BNNS 薄膜的絕對輻射功率測試與戶外實測。(a) 熱輻射冷卻功率的測試裝置示意圖。(b) 熱平衡狀態下的加熱功率。(c) SiO2-BNNS 薄膜的熱發射冷卻功率及模擬結果。Stefan–Boltzmann 模擬得到的發射率為 ε = 0.95。(d) 戶外測試裝置示意圖。(e) 戶外實測中的太陽強度、相對濕度及 CNF 與SiO2-BNNS 薄膜的溫差。(f) 戶外測試中 CNF、CNF-BNNF 和SiO2-BNNS 薄膜的實時溫度變化。

小結：針對當前輻射冷卻材料難以同時兼顧高熱導率與高光反射率、難以滿足持續發熱設備散熱需求的難題，本文設計并構建了一種具有Janus結構的熱導輻射冷卻膜。該膜通過真空輔助自組裝工藝，將具備高紅外發射能力的SiO2微球構建為上層散射層，底層則利用定向排列的氮化硼納米片（BNNS）形成高熱導與多重反射結構。系統研究發現，BNNS的面內取向可顯著提升太陽光的后向散射效率與面內熱傳導性能，實現95.4%的太陽反射率與94.9%的紅外發射率，且膜體在120 μm厚度下仍保持18.17 W/m·K的優異面內熱導率。結合理論模擬與實測驗證，作者揭示了BNNS取向對散射機制的調控作用，同時證實該Janus結構在高溫被動散熱條件下可有效降低設備溫度約8°C。本研究提出了一種兼具光學調控與熱導調控的新型復合結構設計，為熱導型輻射冷卻材料的發展提供了新的思路與結構范式。

論文信息：Zhu B, Qin Y, Li M, Z Zhang, Y Wang, R Yang, K Xu, J Zhang, Y Zhou, Y Guo, X Wang, Z Wu, T Cai, K Nishimura, C T Lin, Y Li*, N Jiang, L Li*, J Yu*. Thermal conductive radiative cooler enabled by Janus structure for above-ambient daytime cooling. Nano Energy, 2025: 111124.

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