激光织构 MnFe?O?/PVDF 网格阵列用于电子冷却的宽带红外辐射增强

《Surfaces and Interfaces》：Enhanced Broadband Infrared Radiation in Laser-Textured MnFe 2O 4/PVDF Grid Arrays for Electronic Cooling

　　

摘要

为了解决电子设备微型化和高功率发展引发的热管理瓶颈，本研究提出了一种基于零能耗和无污染红外辐射制冷的有效解决方案。通过材料设计和表面微结构的协同优化，利用旋涂技术成功制备了具有网格阵列结构的 MnFe₂O₄/PVDF 复合薄膜。该薄膜在 2.5–25 μm 波段表现出 0.96 的高发射率，在 20°C 环境温度下，实现了 9 W 电子设备的 7.6°C 制冷温差。结合 COMSOL 模拟和激光纹理技术，研究发现随着网格间距减小，制冷温差先增加后减小。网格间距为 0.75 mm 的样品表现出最佳性能，制冷温差为 9.4°C，这与模拟结果一致。拉曼光谱揭示激光纹理处理导致 PVDF 降解和碳化，伴随着非晶碳和石墨碳的形成。原子力显微镜显示激光处理显著增加了表面粗糙度，从 278 nm 增加到 1842 nm，创造了丰富的微腔，并通过多重散射和黑体效应增强了红外吸收。网格阵列增强了辐射面积，而过于密集的网格阻碍了热传导。这两种效应之间的竞争决定了最佳性能。这项研究为电子设备的高效热管理提供了新的设计策略和理论支持。

引言

电子设备向微型化、高功率运行和高集成度的加速发展，导致局部热流密度呈指数级增加，对热管理技术提出了更高要求 [1]。传统主动冷却方法（例如风扇强制对流、液体循环冷却）由于固有的局限性，如占用空间大、额外能耗显著以及机械振动噪声，面临难以满足下一代电子设备散热需求的挑战 [2]。红外辐射制冷作为一种以零能耗、无运动部件和无化学污染为特征的被动热管理技术，凭借其超薄形态和易于集成的特点，已成为解决电子冷却瓶颈的理想方案。根据斯特藩 - 玻尔兹曼定律，物体的热辐射功率表示为 P = AεσT⁴，其中 A 代表物体表面积，ε 表示红外发射率，σ 是常数，T 表示绝对温度。可以通过增加材料的红外发射率或扩大有效辐射面积来直接增强辐射制冷功率。此外，基于光谱调控策略，红外辐射体可分为两类：1) 选择性辐射体，仅在 8–13 μm 大气窗口波段保持高发射率（ε ≈ 1），同时在其他波段强烈抑制发射率（ε ≈ 0）以避免太阳辐射加热；2) 宽带辐射体，在整个 2.5–25 μm 波段（排除 0.3–2.5 μm 太阳波段）表现出类似黑体的辐射特性（ε ≈ 1）[3]。理论计算表明，当电子设备的工作温度显著高于环境温度时，宽带辐射体具有更高的净制冷功率 [4]。

近年来，基于无序介质和超材料的冷却器成为突出的研究主题，分别通过材料成分优化和光学设计来调节光谱性能。Song 等人通过掺杂 Cu²⁺ 和 Cr³⁺ 增强了 NiFe₂O₄ 的发射率，制备了一种在 2.5–10 μm 波段红外发射率高达 0.95 的涂层，展示了其在高温工业炉中的应用潜力 [5]。Wang 等人使用固态反应法合成了一种高熵尖晶石 (Mn_0.2Cr_0.2Fe_0.2Co_0.2Cu_0.2)₃O₄，实现了 0.91（0.78–2.5 μm）和 0.86（2.5–16 μm）的发射率。他们进一步开发了一种具有高热稳定性的涂层，在 0.78–16 μm 波段的发射率为 0.943 [6]。Zhang 等人通过水热法结合放电等离子烧结制备了 ZnO/SrTiO₃ 复合材料，发现红外发射率随着 ZnO 含量的增加先降低后升高。当 ZnO 含量达到 7% 时，发射率增加至 0.92 以上 [7]。Li 等人通过将 TiO₂ 涂覆在 SiO₂ 微球上并随后与 PDMS 复合，制备了一种薄膜，在大气窗口内实现了 0.98 的高发射率 [8]。这些研究表明，可以通过离子掺杂 [5,9]、高熵设计 [6,10] 和材料复合 [7,8] 等方法增强本征发射体的发射率。Huang 等人首先使用 COMSOL 模拟表面阵列结构，并通过将浆料浇铸到通过光刻获得的硅模具上，制备了金字塔阵列结构的 PDMS 薄膜。这实现了 0.98 的大气窗口高发射率，并在晴朗天空正午实现了 6°C 的低于环境温度冷却效果 [11]。Lin 等人使用 3D-FDTD 模拟沟槽状阵列表面结构，并通过卷对卷压印和物理气相沉积技术制备了具有沟槽阵列结构和银薄膜的 PET 薄膜。这产生了 0.947 的高大气窗口发射率，并在户外正午实现了 7°C 的温降 [12]。Ding 等人利用机器学习避免了传统超材料设计中繁琐的数值模拟，使用 SiO₂ 制备了仿生星天牛（Anoplophora macularia）超表面阵列结构。这实现了 0.985 的高大气窗口发射率，样品在正午表现出 8.3°C 的温降 [13]。Li 等人使用 FDTD 模拟聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 薄膜的表面，并通过模板法制备了具有不同粗糙度随机微结构阵列的薄膜。对裸硅太阳能电池的冷却效果在室内达到 6.6°C，在室外达到 2.4°C [14]。这些例子说明，仿生微结构 [13,15,17]、超表面工程 [11,12] 和光子结构设计 [18] 等方法可以通过控制发射体的表面光谱来调节冷却性能。关于这两种调控策略的研究主要集中在选择性辐射体设计上，通过光子晶体和超材料等结构在 8–13 μm 波段实现大于 0.95 的发射率，但牺牲了其他波段的辐射能力。此外，当前的材料体系和结构设计主要关注近环境温度应用，如建筑冷却和户外设备。针对电子设备散热的优化材料体系尚处于起步阶段，表面结构的设计急需理论和实验支持。因此，开发用于高温电子设备的高效宽带辐射材料，并阐明其表面微结构对辐射功率的协同增强机制，是克服现有技术瓶颈的关键途径。

本研究专注于解决高功率电子设备的热管理瓶颈，这些设备急需高效、可靠且易于集成的冷却解决方案。具体而言，选择了具有优异宽带红外辐射性能的 MnFe₂O₄ 作为填料 [19]，聚偏氟乙烯 (PVDF) 作为成膜剂，并通过旋涂制备了 MnFe₂O₄/PVDF 复合薄膜。为了进一步优化这些复合薄膜的辐射制冷性能，本研究采用 COMSOL 模拟具有表面网格阵列结构的薄膜的冷却效果，随后使用激光纹理技术在该复合薄膜表面制备这种网格阵列。这项工作旨在探索表面微结构加工对薄膜辐射制冷性能的调控效果，预期确认表面微结构加工可以通过协同调控有效增强 MnFe₂O₄/PVDF 薄膜的宽带辐射制冷性能。这项工作为电子设备的热管理提供了新颖的技术途径和理论参考。

章节摘录

阵列设计过程

薄膜制备：将质量分数为 10% 的聚偏氟乙烯 (PVDF) 溶解于 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) 中。在 80°C 下磁搅拌该溶液 1.5 小时，以获得质量分数为 15% 的粘性溶液。将质量分数为 15% 的 MnFe₂O₄ 粉末均匀分散到该溶液中。然后在 80°C 下进行机械搅拌 1 小时以产生浆料。将此目标浆料涂覆在预热的铜片（40 mm × 40 mm × 0.8 mm）上

模拟结果

冷却性能的模拟结果如图 3 所示。空白对照温度在 3 小时后升至 91.71°C，而在相同时间后，MPZ-0、MPZ-100、MPZ-75、MPZ-50 和 MPZ-25 薄膜的温度分别达到 82.33°C、81.16°C、81.12°C、81.40°C 和 81.42°C。这些分别对应于各薄膜的制冷温差 (ΔT) 为 9.38°C、10.25°C、10.59°C、10.31°C 和 10.29°C。按照阵列设计，随着网格密度增加，

结论

通过材料设计和表面微结构的协同优化策略，本研究成功开发了一种具有高效宽带辐射制冷性能的网格阵列结构 MnFe₂O₄/PVDF 复合薄膜。通过旋涂制备的 MnFe₂O₄/PVDF 薄膜在 2.5–25 μm 的宽光谱范围内表现出 0.96 的高发射率。在 20°C 环境温度下，它将 9 W 电子设备的表面温度从 90.8°C 降低到 83.6°C，

作者声明

Wanting Zhu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，调查，形式分析，数据整理。

Yixin Wang：写作 – 审阅与编辑，数据整理。

Lintao He：写作 – 原稿撰写，数据整理。

Ping Wei：项目管理，方法论，资金获取。

Xiaolei Nie：方法论，资金获取。

Danqi He：方法论。

Yu Zhang：方法论。

Wenyu Zhao：监督，资源，项目管理，资金获取。

Qingjie Zhang：监督，资源。

Yixin

CRediT 作者贡献声明

Wanting Zhu：写作 – 审阅与编辑，调查，资金获取，数据整理，概念化。Yixin Wang：写作 – 审阅与编辑，数据整理。Lintao He：写作 – 原稿撰写，调查，数据整理。Ping Wei：方法论，资金获取。Xiaolei Nie：方法论，资金获取。Danqi He：调查。Yu Zhang：形式分析。Wenyu Zhao：监督，资源，资金获取。Qingjie Zhang：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2025YFF0520600）、国家自然科学基金（编号：52130203、12595333）和湖北省自然科学基金（编号：2024DJA030、2024AFB543）的支持。

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