高效且具有热调节功能的基于VO?的方形开槽被动辐射冷却器，适用于高温应用场景

《Physica B: Condensed Matter》：Highly efficient and thermally tunable VO 2-based square-slotted passive radiative cooler for high temperature applications

本研究提出了一种基于VO?超表面和MgF?介质层的被动辐射冷却器，在高温下实现98.5%的8-13μm窗口高发射率，冷却功率达143.9 W/m2，温降11K，适用于数据中心等高效散热场景。

　　

穆罕默德·费赞（Muhammad Faizan）| 穆罕默德·阿布扎尔·巴基尔（Muhammad Abuzar Baqir）| 穆罕默德·萨克拉因（Muhammad Saqlain）| 赛义德·艾哈迈德·沙姆桑（Zaid Ahmed Shamsan）

巴基斯坦伊斯兰堡COMSATS大学电气工程系，萨希瓦尔校区

摘要

被动辐射冷却（Passive Radiative Cooling, PRC）是一种无需消耗电力即可有效降低物体温度的新兴技术。近年来，由于超材料在PRC设备中的应用，它们成为了研究和开发的焦点。超材料能够将多余的热量通过大气热窗口（8-13 μm）辐射到外太空，从而对周围环境产生整体冷却效果。本研究提出了一种利用热可控VO₂超表面的PRC装置，该超表面生长在MgF₂介质层上。该装置在高温工作条件下，在大气窗口范围内的发射率高达98.5%。此外，实验结果显示，在VO₂温度为90°C且无太阳辐射的情况下，其净冷却功率为143.9 W/m²，导致温度相对于环境温度下降了约11.0K。然而，在低温工作条件下，VO₂的发射率在大气窗口范围内显著降低，在30°C时最低仅为4.42%。这种开发的PRC结构适用于需要有效热管理的高温应用场景，如数据中心、电子系统和航天器核心。

引言

由于人口增长、生活水平的提高以及气候变化，全球对冷却的需求正在迅速增加。预计到2050年，随着空调的普及，对冷却能量的需求将显著增加[[1], [2], [3], [4]]。传统的蒸汽压缩空调消耗大量电力，并依赖氟碳制冷剂，这些制冷剂不仅需要大量能源，还会释放强效的温室气体，从而加剧全球变暖[5,6]。因此，提高现有冷却系统的效率和创新新的冷却方法已成为当务之急。与依赖动力的制冷方式不同，辐射冷却利用天空作为热沉，使温暖的表面通过热红外辐射将热量被动地散发到寒冷的宇宙空间。所有具有有限温度的物体都会发射电磁辐射，这一现象由斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan–Boltzmann law）描述[[7], [8], [9]]。因此，处于环境温度（约300 K）的物体可以通过透明的大气窗口将热量释放到太空（有效温度约3 K）[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。在中红外天空窗口（8–13 μm）具有高热发射率且低太阳辐射吸收率的表面可以在不输入能量的情况下实现低于环境温度的自我冷却[[17], [18], [19], [20]]。在大气窗口内的高红外发射率有助于有效地将热量传递给寒冷的天空，而高太阳反射率则减少了白天的加热[[21], [22], [23]]。辐射冷却涉及从加热物体向寒冷宇宙空间发射热能，从而无需使用压缩机或电力即可实现冷却[[24], [25], [26], [27]]。

在这种情况下，白天设计的冷却结构应最大限度地反射0.3–2.5 μm太阳光谱内的入射阳光，同时在中红外窗口（8–13 μm）内表现出强烈的发射特性。为此，已经研究了多层薄膜堆叠、光子晶体、多孔聚合物和纳米粒子涂层等材料，以实现高太阳反照率与选择性红外发射[[28], [29], [30]]。有报道称，由微孔SiO₂纤维层和水凝胶组成的双层结构可以在可见光和近红外光谱中实现接近100%的反照率，在热红外光谱中实现接近100%的发射率，从而改善低于环境温度的冷却效果[31,32]。最近的研究表明，具有纳米结构设计的宽带热发射体和选择性红外发射体可以超越传统涂层的限制[33]。另有研究显示，超表面可以影响红外传感[34]、热光伏[35]和辐射冷却[36,37]等应用中的热发射特性。Bader等人报告称，采用适应性等离子体超表面可以在反射可见光的同时达到与大气透明窗口相对应的高红外发射率峰值，从而实现阳光下的被动冷却[38]。在这方面，氟化镁（MgF₂）是一种值得注意的介质材料，因为它具有低折射率、在整个太阳光谱范围内的高透明度和稳定性。在光子冷却中，MgF₂已被用于多层堆叠结构，例如在金属反射器上的MgF₂/TiO₂交替层，理论上可以实现超过96%的太阳反射率，并表现出显著的中红外发射[39]。

二氧化钒（VO₂）超表面因其独特的绝缘体-金属转变（Insulator-to-Metal Transition, IMT）特性而受到关注。因此，VO₂超表面被视为多种应用的有希望的材料，特别是在动态切换和传感领域[40,41]。在被动辐射冷却方面，VO₂超表面因其68°C时的绝缘体-金属相变而成为有前景的候选材料[42]。在这一转变相中，VO₂不仅反射了大部分辐射，还增强了大气窗口区域的辐射发射率[41,43]。尽管有许多研究探讨了VO₂相变的应用和性质[44,45]，但对其在被动辐射冷却应用中的潜力关注较少[[46], [47], [48]]。在最近的一项研究中，吴等人[39]研究了一种MgF₂光栅结构，用于夜间被动辐射冷却，在300 K的环境温度下实现了121.8 W/m²的净冷却功率，温度下降了11.7°C。在另一项研究中[38]，设计了有无VO₂层的五层结构；结果显示，在大气窗口区域（8–13 μm）利用VO₂时吸收效果更好。在另一项研究中，杨等人[48]使用VO₂顶层超表面和HfO₂介质间隔层，在大气窗口区域实现了85%的吸收率。

本研究展示了一种在MgF₂间隔层上制备的方形开槽VO₂超表面，用于被动辐射冷却应用。优化后的设计参数在大气窗口（8-13 μm）范围内的发射率超过了95%。当VO₂温度在夜间达到90°C时，净冷却功率为143.9 W/m^{2₂的金属特性会引发局部表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR），导致强烈的吸收。因此，吸收会引发加热，进而强烈地辐射热量，使温度相对于环境温度下降了11.0K。这些结果表明，本研究可能有助于开发用于PRC应用的被动辐射冷却器。此外，该装置不仅效率极高，而且经济可行且易于制造，使其比以往报道的装置更适用于实际冷却应用。}

设计与仿真

设计とシミュレーション

1展示了所提出的多层被动辐射冷却器的设计示意图及其工作原理。该结构由底部的钨（W）层组成，作为完美的反射器，旨在最小化光波的传输。在其上方是镁氟化物（MgF₂）介质间隔层[49]，再上面是周期性排列的VO₂方形图案组成的顶部超表面[47,50]。所有层的厚度...

被动辐射冷却功率的计算

大气在8至13 μm范围内对红外辐射具有较高的透明度，这是因为该范围内的辐射发射较弱[54]。普朗克定律表明，大气窗口与黑体在环境温度（约300 K）时的峰值热辐射相对应。地球大气在这个窗口之外的区域具有较高的发射率[55]。这使得地球物体能够在环境温度下通过辐射热量实现被动冷却...

结果与讨论

2展示了所提出结构在两种不同环境温度下的吸收/发射率光谱。最顶层由周期性方形开槽图案的VO₂组成，这种结构能够随着温度的变化从绝缘体相转变为金属相。在低温（30°C，绝缘体相）下，大气窗口（8-13 μm）内的吸收/发射率接近零。相反，在90°C时，超过临界温度...

所提出的被动辐射冷却器的性能评估

使用方程（5），我们评估了所提出结构的辐射冷却性能。图7显示了所提出的PRC表面在大气窗口内的净冷却功率（P_net）和总温度降（ΔT）的结果。净冷却功率（P_net）是在设备温度（Ts）和环境温度（T_a）达到热平衡的条件下确定的。为了确定总温度降（ΔT），我们假设稳态条件下的P_net = 0。

结论

在之前的讨论中，研究了包含相变VO₂超表面和MgF₂介质间隔器的PRC系统，该系统表现出优异的效率。理论结果表明，在大气窗口区域（8-13 μm）内，设备的发射率在高温下可达到98.5%。此外，由于VO₂的温度控制相变特性，所实现的净冷却功率在4.4到143.9 W/m²之间变化，相当于温度下降了0.6到11 K...

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·费赞（Muhammad Faizan）：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、调查、概念化。穆罕默德·阿布扎尔·巴基尔（Muhammad Abuzar Baqir）：撰写——审阅与编辑、验证、软件开发、方法论、概念化。穆罕默德·萨克拉因（Muhammad Saqlain）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理。赛义德·艾哈迈德·沙姆桑（Zaid Ahmed Shamsan）：撰写——审阅与编辑、项目管理、调查。

新颖性声明

本工作提出了一种基于VO₂超表面的热发射器，用于被动辐射冷却应用。该设备能够将多余的热量辐射到大气窗口，从而对周围环境进行冷却。此外，该设备具有温度可调性——在高温下可作为被动辐射冷却器使用。所实现的净冷却功率为143.91 W/m²，相当于在90°C的工作温度下表面温度降低了11 K。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。