基于辐射冷却薄膜的可穿戴设备户外热防护技术研究

针对可穿戴电子设备在户外高温环境下易过热失效的问题，研究人员开发了一种被动辐射冷却薄膜（RCF）。该薄膜通过电纺聚乙烯醇（PVA）基质嵌入SiO2和Al2O3纳米颗粒，实现0.88的太阳光反射率（0.3–2.5 μm）和0.95的大气窗口（8–13 μm）热发射率，使设备表面温度降低8.6°C，显著提升热可靠性和用户安全性。

　　

在烈日炎炎的户外环境中，可穿戴电子设备如健康监测传感器和智能手机常因过热导致性能下降甚至失效，同时可能引发用户皮肤灼伤等安全隐患。传统散热技术依赖主动冷却或金属导热，但存在能耗高、体积笨重等问题。更棘手的是，核心体温（Core Body Temperature, CBT）监测设备若因高温产生数据偏差，将直接影响热相关疾病（Heat-Related Illness, HRI）的早期预警，这对户外工作者等高风险群体尤为致命。

为解决这一难题，韩国政府资助的研究团队开发了一种革命性的被动辐射冷却薄膜（Radiative Cooling Film, RCF）。该薄膜以电纺聚乙烯醇（PVA）为基质，通过嵌入二氧化硅（SiO₂）和三氧化二铝（Al₂O₃）纳米颗粒，实现了"双高"光学特性：在太阳光谱范围（0.3–2.5 μm）反射率达0.88，同时在大气窗口（8–13 μm）发射率高达0.95。这种设计巧妙利用宇宙作为天然散热器，使热量以红外辐射形式直接逃逸至太空。实验显示，集成RCF的CBT传感器在户外暴晒下表面温度仅42.5°C，较未防护设备降低8.6°C，且能持续稳定工作；智能手机电池峰值温度更是从60.0°C骤降至37.1°C，有效避免了热失控风险。相关成果发表于《Optical Materials》，为下一代可穿戴设备的热管理提供了零能耗解决方案。

关键技术方法包括：1）通过电纺技术制备PVA基纳米复合薄膜；2）光学性能测试采用紫外-可见-近红外光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪；3）户外热性能测试使用热电偶实时监测设备表面温度；4）实际应用验证采用商用CORE传感器模块集成RCF进行CBT监测。

材料与制备方法
研究团队将PVA与Al₂O₃纳米颗粒共混制备前驱体溶液，同时用玉米醇溶蛋白（zein）修饰SiO₂以增强湿度稳定性。通过优化电纺参数获得400 μm厚度的多层薄膜结构。

RCF集成CBT传感器
如图1所示，RCF作为顶层覆盖在聚乳酸（PLA）外壳上，中层为传感器模块，底层贴合皮肤。这种结构既保证散热效率，又维持设备轻薄特性。对比实验表明，传统白色织物（WF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）包裹的传感器在高温下均出现故障，而RCF组始终保持正常工作状态。

结论与意义
该研究首次将辐射冷却技术系统应用于可穿戴电子设备的热防护领域。Minseo Jeong、Changhwan Hyeon等作者证实，RCF通过双重光学机制——反射太阳辐射与发射红外热能，实现了零能耗的持续降温效果。其意义在于：1）突破性地解决了户外电子设备的热积累难题；2）玉米醇溶蛋白的引入增强了薄膜的环境稳定性；3）为预防HRI提供了可靠的设备保障。这种可规模化生产的薄膜技术，不仅适用于医疗监测设备，还可扩展至智能手机、物联网设备等领域，具有广阔的产业化前景。