氮化硼-完美的辐射制冷材料

氮化硼除了可以制备导热材料，而且是完美的辐射制冷的材料。

什么是辐射制冷材料？

辐射制冷材料是一种能够通过被动地向外太空辐射热量来实现降温功能的新型材料。它不需要任何电力输入，完全依靠材料自身的物理特性。

其核心原理基于两个基本的物理过程：

1. 高太阳反射率：尽可能多地反射太阳光（波长主要在0.3-2.5 µm），减少对太阳热量的吸收。

2. 高大气窗口红外发射率：在地球大气层对特定红外波段（8-13 µm）高度透明的“大气窗口”内，具有强烈的热辐射能力，将热量以红外线的形式直接发射到寒冷的外太空（温度约3K）。

简单来说，这种材料就像一条“单向散热通道”：一方面把太阳的热量“挡在外面”，另一方面把物体自身的热量“扔到宇宙里去”。

而六方氮化硼具备完美的辐射制冷的材料特性。

核心反射特性：

· 高太阳光反射率：h-BN在可见光至近红外波段具有非常高的反射率。这使得它呈现出明亮的白色。这是由其宽带隙和特定的电子结构决定的。

· 高红外发射率：在中红外波段，尤其是在8-13微米的大气窗口波段，h-BN是强吸收体，因此根据基尔霍夫热辐射定律，它在这个波段也具有很高的发射率。

以目前的技术能力，完全可以制备高含量，高柔软的氮化硼膜实现辐射制冷的功能。

应用场景

1. 建筑节能：

   · 用作建筑外墙涂料或屋顶涂层，显著降低建筑表面和内部温度，节省高达20%-50%的空调制冷能耗。

   · 制成制冷薄膜，贴附于建筑玻璃或外墙。

2. 电力电子设备散热：

   · 用于冷却户外通信基站、数据中心服务器、光伏电站等，提高设备寿命和运行效率。

   · 为可穿戴电子设备提供被动散热解决方案。

3. 水资源收集：

   · 利用辐射制冷表面凝结空气中的水蒸气，在干旱地区实现“大气水 harvesting”。

4. 个人热管理：

   · 制成纺织纤维或面料，用于制作“制冷服装”，在高温环境下为户外工作者提供舒适的微气候。

5. 应对城市热岛效应：

   · 大规模涂覆于城市路面、屋顶，可以有效降低整个城市的环境温度。

挑战与未来发展方向

尽管前景广阔，辐射制冷材料仍面临一些挑战：

· 环境适应性：在潮湿、多云或多雨的天气下，大气窗口的透明度会降低，导致制冷效果大打折扣。

· 耐久性与污染：表面落尘、污物会严重影响其反射和辐射性能，需要材料具备自清洁功能（如超疏水表面）。

· 成本与规模化：高性能的光子结构材料成本仍然较高，如何低成本、大面积生产是商业化关键。

· 光谱调控：未来的研究热点是开发“智能”辐射制冷材料，能够根据环境温度动态调节其辐射特性，实现“冬暖夏凉”的效果。