《Surfaces and Interfaces》：Surface Modification for Radiative Heat Dissipation and Self-Cleaning on Aluminum Alloys
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铝合金表面通过喷砂+蚀刻构建多级粗糙结构并接枝PFTEOS，实现高红外发射率（0.8951）与超疏水（接触角153.63°±0.9°），同时保持优异导热性（157.88 W·m?1·K?1），有效提升5G AAU外壳散热效率并降低维护需求。
郝志伟|曾宪|周大明|康书通|陈平川|梁立波|曹倩|董丽杰
中国武汉理工大学先进玻璃材料国家重点实验室，武汉430070
摘要
本研究提出了一种用于户外电子设备外壳热管理的铝合金表面改性技术。通过喷砂和蚀刻结合在合金表面构建了多层粗糙结构，随后接枝了全氟十二烷基三乙氧基硅烷（PFTEOS）。处理后的样品表现出0.8951的红外发射率以及超疏水性，水接触角为153.63° ± 0.9°，滑动角为3.2° ± 0.2°。这些特性赋予了其优异的自清洁能力和抗水流冲击能力。在3 W热源和直射阳光下测试时，改性外壳的平均内部温度比未经处理的外壳降低了6.4°C，同时保持了157.88 W·m?1·K?1的高导热性。结果表明，该方法在不影响导热性的情况下有效增强了辐射散热效果。
引言
作为5G基站的关键组件，有源天线单元（AAU）负责传输和接收5G信号，并支持基站与终端之间的无线信息交互[1]。随着技术的不断发展，随着天线和通道数量的增加，AAU的功耗急剧上升[2]。AAU是一种具有自然散热能力的封闭铝合金，主要通过增强热传导和热对流来提高其散热效率[[3], [4], [5]]。然而，高度集成和微型化设备的发展趋势使得传统的散热方法已接近极限，如何进一步提高AAU的散热效率已成为当前5G基站发展的挑战。
热辐射散热是指以电磁波形式散热，不依赖于介质传输，其特点是维护成本低且环境适应性强[6]。通过在AAU箱表面涂覆热辐射涂层来增强热辐射散热是一种可行的方法[7]。此外，通过开发具有超疏水特性的辐射冷却涂层来整合自清洁功能可以防止灰尘等颗粒的污染，从而保持涂层的辐射性能。例如，Jiang等人[8]使用聚四氟乙烯（PTFE）和二氧化硅（SiO2）纳米颗粒作为填料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚偏二氟乙烯（PVDF）作为粘合剂，制备了一种超疏水辐射冷却复合涂层。该涂层在380–780 nm范围内的发射率为0.906，在8–13 μm范围内的红外发射率为约0.989，液滴接触角（CA）和滑动角（SA）分别可达最大158° ± 0.5°和最小3° ± 0.3°。Liao等人[9]开发了一种由立体复合聚丙二醇和超细玻璃纤维组成的超疏水复合气凝胶涂层。该涂层表现出约0.917的太阳反射率、约0.939的红外发射率以及150°的水滴接触角。Liu等人[10]通过蒸发驱动的多级多孔结构组装设计了一种薄而耐用的涂层，使用了六方氮化硼（hBN）颗粒、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷（PFOTS）和异丙醇（IPA）。这种涂层在150 μm厚度下实现了0.963的太阳反射率、0.927的红外发射率和154°的水滴接触角。然而，尽管上述辐射冷却涂层具有良好的光谱特性和疏水特性，但其基体是有机的，因此导热性较差；例如，Liao等人[9]报道的涂层导热性为36.26 mW m–1 K–1，远低于铝合金本身的导热性（120–210 W m–1 K–1），Liu等人[10]报道的涂层内部导热性仅为1.82 W m–1 K–1。涂层的低导热性不利于热量从AAU内部散发，而有机涂层还存在许多问题，如界面粘结弱和环境老化。
材料表面的热辐射特性以及亲水性和疏水性不仅与材料本身的性质有关，还与材料的表面形态有关。表面形态的构建可以调节材料的热辐射和亲水性，但大多数研究仅研究了表面形态对单一性质的影响。例如，Liu等人[11]在石墨基底表面通过化学气相沉积制备了具有不同表面形态的碳化硅（SiC）涂层。随着表面粗糙度的增加，红外发射率从0.93升高到0.97。Emmanuel等人[12]研究了光滑和粗糙玻璃表面之间的润湿性变化。在亲水状态下，光滑和粗糙表面的接触角分别为22°和7°；在疏水状态下，分别为108°和121°。同时研究表面形态对热辐射性能和亲水/疏水特性的综合影响的研究仍然有限。Trevor等人[13]使用模板方法在铝基底上制备了一系列图案化结构，然后涂覆三氯硅烷涂层以诱导表面疏水性。纹理区域的接触角约为150°，光滑区域的接触角约为120°。值得注意的是，相应的发射率值也有显著差异，纹理区域和光滑区域的发射率分别为0.65和0.26。然而，模板方法复杂、成本高，不适合大规模生产。因此，为了解决上述应用背景，本文提出了一种具有高导热性、自清洁性和热辐射特性的铝合金表面改性技术。通过喷砂+蚀刻工艺在铝合金基底上构建多层粗糙结构，以增强材料表面的热辐射性能，随后结合一层低表面能材料，以最大化保持铝合金表面的导热性，并实现疏水自清洁效果。
本研究开发了一种表面改性策略，旨在同时实现铝合金的高辐射发射率和稳定的超疏水性。通过喷砂和化学蚀刻结合制造的多层粗糙结构提供了基础地形。随后接枝PFTEOS赋予了稳定的超疏水性，同时大幅保持了基底的高导热性。所得表面的红外发射率为0.8951，水接触角为153.63° ± 0.9°，导热性保持在157 W·m?1·K?1，从而实现了辐射冷却和自清洁功能的统一。在模拟的高功率和户外条件下对5G AAU进行评估时，该表面表现出高效的无源散热能力和抵抗环境污染的能力。高发射率实现了直接辐射冷却，而自清洁性能确保了低维护下的持续性能。因此，该策略为开发下一代5G AAU外壳的高性能热管理表面提供了实用的解决方案。
材料
所有化学品均按原样使用。氢氧化钠（NaOH，98%）和1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三甲氧基硅烷（PFTEOS，97%）购自中国医药集团有限责任公司。分析级乙醇和丙酮购自Macklin Biochemical有限公司。
样品制备
在本研究中，使用了尺寸为30 mm × 30 mm × 2 mm、成分比为98%铝、1.2%镁和0.6%硅的6061铝合金基底。在样品制备之前，铝合金基底已经...
涂覆PFTEOS之前的表面形态和物理相分析
观察了未经处理、经过喷砂处理、经过蚀刻处理以及喷砂/蚀刻后浸渍处理的铝合金表面的微观形态，SEM图像如图3所示。图3(a)和(b)中可以看到未经处理样品表面的规则机械划痕，表面相对平坦。图3(c)和(d)中显示的喷砂样品表面有沙子撞击的痕迹，存在数十微米级别的凹坑...
结论
为了获得具有高热辐射性能的超疏水铝合金表面，以实现5G基站AAU外壳中的高效散热，本文首先通过喷砂+蚀刻在铝合金表面构建了多层粗糙结构，然后在铝合金表面接枝了一层PFTEOS。研究结果表明，喷砂/蚀刻处理后的铝合金表面粗糙度...
作者贡献声明
郝志伟：方法论、研究、数据分析、概念化、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。曾宪：监督、项目管理、方法论、资金获取、数据分析、撰写——审阅与编辑。周大明：研究、初稿撰写、数据分析。康书通：研究、初稿撰写、数据分析。陈平川：研究、初稿撰写、数据分析。梁立波：:
数据可用性
数据可应要求提供。
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
作者在本文的创作或实质性开发过程中未使用任何生成式AI或AI辅助技术。所有内容均由作者独立完成。
作者贡献声明
郝志伟：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法论、研究、数据分析、概念化。曾宪：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、数据分析。周大明：研究、数据分析、初稿撰写。康书通：研究、数据分析、初稿撰写。陈平川：研究、数据分析、初稿撰写。梁立波：监督：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52473280）和广西科技重大项目（GUIKE AA23062025-3，中国）的财政支持。
