进入新世纪，各类小型中型大型机器设备365天一刻不停地运转，社会经济得到了前所未有的发展，而在生产高效的背后则是“善后”技术的低效，机器设备产生的热量在大气中“自由”地进行着热传递，进一步加剧了温室效应。

说起“热传递”，“热辐射”作为热传递的三种方式之一，近年来受到了越来越多的关注，“辐射制冷” 是一种被动冷却技术，凭借着可在无任何能耗的情况下降热量散发到太空而成为热门研究课题。

温室效应和辐射制冷

首先考虑一个本科传热学问题：一个太阳-地球-太空的三体辐射换热系统，太阳通过约1353W/m2的直射功率密度照射地球，而稳态下地球也在以相应的功率向接近绝对零度的外太空辐射同等功率的能量，几何关系如上图所示。假设太阳、地球均为黑体，稳态情况下地球的温度是多少？

大家可以简单的做一下计算，答案是279K。这个温度是低于地球表面的平均温度的，之所以如此，正式因为地球表面的大气层对地球辐射有遮挡作用，也就是说，地球并不是以完全的黑体辐射向外发射能量的。

想必读到这里，大家一定会想到另外一个概念，即“温室效应”。没错！辐射制冷和温室效应是紧密相关的。很多科学家相信，正是因为大气中的温室气体增加阻挡了向外的辐射，产生了全球变暖和极端天气。那么，如果温室气体无法减少，那么如何产生“反温室效应”来降低表面的温度呢？理想的一个方法就是，调控表面的发射率，通过在大气比较透明的波段增加发射，可以实现降温的目的。这就是所谓的辐射制冷。

辐射制冷的基本原理

辐射制冷并非一个全新的概念。事实上，这个概念在1828年已经被Arago提出，曾被先人用于生产和生活。上世纪70年代前后对夜间辐射制冷材料的研究非常多。从上世纪50年代一直到本世纪初一直有国内外课题组在开展相关研究。在气象领域，辐射制冷也是被熟知的一个概念。辐射制冷和很多熟知的自然现象，例如霜冻、结露等有很大的关系。当然，白天辐射制冷的首次实现，还是斯坦福大学2014年的Nature。

下面讲讲基本原理。虽然大气在可见光波段是透明的，在红外波段并非透明的，其透射谱如上图所示。其中最重要的一个透明波段是8-13微米，也称大气窗口，因为该窗口和300K左右的物体的黑体辐射峰正好重合，因此地球辐射的主要部分，是从这个“窗口”中辐射到外太空的。因此，地球上对着天空的任意的表面，如果能够增加在大气窗口中的辐射，那么是有利于该表面降温的。需要注意的是，大气透明的假设是基于晴空的，如果有云层遮挡（阴雨天气），则大气窗口可以完全被挡住，因此无法产生辐射制冷效果。这一点后面还会讲到。

下面我们开始讨论公式。可以把问题简化为上图中的传热系统。这是一个典型的半透明参与性介质（大气）的辐射换热系统。表面会接收太阳辐射Psun，大气辐射Patm，同时在向外发射能量Prad，另外，除了辐射之外，该表面也会通过热传导和热对流会与环境进行非辐射换热Pnonrad。通过能量守恒不难得出，该表面的制冷功率Pcool与上面几项的关联，如上图中的公式所示。因此，如果表面的温度固定为T，那么其制冷功率就由这些项决定。

巨大冷源在外太空

根据经典热辐射理论，一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体都会以电磁波的形式向外发射能量。热辐射可以将热能以光速穿过真空，从一个物体传到另一个物体，太阳传递给地球的热能就是以热辐射经过宇宙而来的，所以将地球热量通过热辐射“发射”到外太空是理论上可行的。

太阳的温度一般被认为是6000K(开尔文，温度单位)，地球的温度是230K到300K，而外太空的温度为3K(-270℃，接近绝对零度)，是一个持续稳定的低温端。外太空是地球的理想热沉，通过辐射制冷，地球上的物体可实现与外太空直接换热。

其实辐射制冷也普遍存在于大自然中，露珠的形成就是自然的辐射制冷的结果。夜晚近地空气因长波辐射冷却到露点以下，其中所含的水汽在地面或近地物体上结成露珠，然而辐射制冷现象一般只在夜晚出现，这也就是为什么露珠出现的时间总在傍晚和清晨。

此前，已有科学家在夜间辐射制冷发电方面有了较大的突破，范铃羚团队利用辐射制冷研制出热电发生系统，转换效率为5%-8%，能够实现每平米超过 2W 乃至 3W 左右的功率密度，相比于此前背报道的相同原理的研究，其结果高出两个数量级，足以为一些 LED 照明器件、模块化传感器等持续供电。

近日，上海交通大学电气材料与绝缘研究中心教授黄兴溢与该校密西根学院教授鲍华基于辐射制冷技术，开发出一种具有高导热率的辐射制冷绝缘材料。据了解该材料的阳光反射率高达98%，能够打破时间限制实现全天辐射制冷，材料具备的高导热特性可用于户外机械设备的高效热管理，能够有效降低机械设备的温度。

“外太空是一个温度只有3开尔文的巨大冷源，通过与其进行直接换热，可以将地球上物体的温度降低到环境温度以下。”黄兴溢说。与传统制冷技术（如基于压缩机的主动制冷技术等）相比，辐射制冷技术是一种完全无能耗、无温室气体排放的被动制冷技术。

黄兴溢表示，传统制冷技术加剧了温室气体的排放，使地球整体温度升高，又进一步增加了制冷需求，形成恶性循环。总的来看，这些制冷系统自身反而会变成热源。而辐射制冷技术利用材料自发的热辐射进行制冷，不需要任何能量输入，是一种低碳环保、具有净制冷效果的技术。

实际上，夜间的辐射制冷现象早已被广泛利用，如清晨露水的产生以及古人在沙漠气候环境制冰等。然而，辐射制冷现象在白天很少出现，这是因为阳光热量的输入远远超过辐射制冷量，结果反而加热了暴露在阳光下的物体。

“在白天实现辐射制冷，需要物体表面具有超高的阳光反射率，以最大限度地减少阳光热量输入。”黄兴溢补充道。辐射制冷技术有望替代或补充传统制冷技术，有效降低碳排放，但目前还处于推广阶段。

让材料实现高导热率

与制冷这一应用场景不同，户外电力装备、电子设备不仅要面临阳光热量的输入，其自身还会产生大量热量。为了使户外电子电力设备维持在较低的工作温度，不仅要阻断外部热量的输入，还需要将其内部热量快速传导、耗散。这就对现有的辐射制冷材料提出了新的要求，即高导热率（低热阻）。

黄兴溢表示，传统辐射制冷材料往往具有较低的导热率，甚至是隔热的，这使得电力装备、电子器件内部的热量难以传导出来，因而当其用上这些辐射制冷材料后，不仅没有降温效果，甚至还有可能导致内部热量积聚。

对此，研究人员设计出一种基于填充有聚合物基体的二维六方氮化硼（h-BN）介电纳米板的可扩展光子膜。h-BN将独特的2D形状与高折射率相结合，具有超高的后向光散射效率，使光子膜同时具有高太阳反射率和低热阻。

结果表明，与基体相比，光子膜表现出优异的太阳反射率（98%）并具有更强的散热能力，其在阳光直射下表现出约4摄氏度的低温冷却性能，在夜间表现出约9摄氏度的冷却性能。

“跨越近两个数量级调控辐射制冷材料的阳光反射率与红外发射率本就是一件极具挑战性的事情，我们期望材料在维持这两个光学性能的同时，还具有高导热率，这就需要苛刻的光—热协同设计，对材料的筛选及其结构设计提出了极高的要求。”黄兴溢说。

据介绍，研究人员还进行了计算机模拟辅助的材料筛选与设计、大规模材料制备及其微观结构表征、72小时辐射制冷实验、户外期间热管理实验以及有关材料实际应用性能的一些测试，如户外老化、绝缘性、耐热性、阻燃性等。

上海交通大学电子信息与电气工程学院副院长尹毅评价道，该研究通过计算机模拟辅助，设计、制备了具有高导热率的辐射制冷绝缘材料，打破了传统辐射制冷材料实现高阳光反射率与高导热率的制约，极大拓展了辐射制冷材料的应用领域，为进一步推动辐射制冷技术在户外电力设备、电子器件中的热管理应用做出了开创性贡献。

进一步拓宽应用场景

据黄兴溢介绍，目前，他们已经在实验室制备出数米长的材料。此外，该材料制备工艺简单，不需要对现有工业化设备进行任何改造，就可以进行大规模加工制备。

“对于产业化开发，该材料目前还需解决美学方面的问题，当然，这也是目前所有辐射制冷材料的通病。”黄兴溢表示，为了最大限度地反射阳光热量，材料通常为纯白色，任何色彩的引入，都将牺牲一部分制冷性能，如何能在不牺牲制冷性能的同时使材料具有五彩斑斓的颜色，不仅是产业化开发，也是目前科学研究需要解决的难题。

此外，黄兴溢指出，该材料所用h-BN填料的单价仍然较高。不过，该填料有效提升了辐射制冷材料的各项性能，拓宽了其应用场景，也极大提升了辐射制冷材料的附加值。

“与现有的辐射制冷材料相比，新材料最大的优势是具有高导热率，使其不仅可以用于制冷应用场景，还可应用于户外电力装备、电子器件的高效热管理，这是传统辐射制冷材料难以实现的。”黄兴溢说，“其次，该材料还具有超高的阳光反射率、易规模化加工、填料含量低等优势，有利于提升材料性能、降低成本。”

据介绍，这种新材料不仅适用于传统辐射制冷材料的应用场景，如大型会展中心、粮仓、冷链物流等，还可以用于户外电力设备、电子器件的热管理，如5G基站、变压器、数据中心等，并有效提升器件性能、延长其使用寿命，甚至还可能作为航天器的热控薄膜使用。

后记

在后续应用场景的拓展上，材料的美学问题或许会被辐射制冷材料的研究团队提上日程，让材料在上色后具有纯白色材料一样的制冷效果，是辐射制冷材料产业化开发的需要解决的问题。

本文来源：热设计网， 化工仪器网， 微纳尺度传热