基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法

本发明涉及电子设备散热的，特别是涉及一种基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法。

背景技术：

1、数字化时代的到来，更多的具备计算、数据存储以及智能互联的电子设备被投入使用，导致了能源消耗的剧增。据估算，全球约有60%的能源消耗来自电子设备。且预计5年后，约有25亿个智慧家居设备和智慧城市服务设备等新的移动终端设备接入电网，新增电力容量约17gw。对于户外电子设备来说，其高度集成化使芯片热流密度大幅度提升，导致设备功耗增大，散热空间减小。此外，热空气和面对太阳方向的光辐射还会产生热增益，高功耗产生的高温与外界热增益的耦合不仅影响户外电子设备的稳定性，还会消耗更多的能源用以热管理。电子设备领域著名的“十度法则”指出，电子设备的温度达到一定范围时，温度每升高10℃，可靠性就会下降50%。据统计，温度引起的电子设备失效比例高达55%。因此，降低热效应对户外电子设备的影响是提高其能源使用效率，延长使用寿命的有效路径之一。

2、传统的散热方式，如风冷、液冷，不仅成本高，能耗大，还会产生温室气体，加剧全球变暖。理论上，消除受尺寸限制和面对太阳方向光辐射所导致的内部发热问题，能助力解决户外电子设备的散热问题。鉴于此，零污染、无能耗的日间被动辐射制冷（pdrc）技术可作为一种有效的替代方案。其利用热辐射通过大气透明窗口（8-13µm）将热量散发到外层空间的同时将波长范围约0.3-2.5µm的太阳光反射回去，实现自发降温。但若直接将传统pdrc材料应用于内部产热的户外电子设备，其较高的热阻无法及时将设备内部热量传递到外界，甚至进一步加剧设备内部的热累积，使设备性能降低甚至失效。因此，一种辐射制冷与强化非辐射换热的耦合设计，是助力户外电子设备的热管理的有效途径。然而，高导热填料在基体内的随机排列导致其整体取向性差，从而使填料之间存在较大的界面热阻。其次，填料的分散性差也导致导热通路数量减少，从而影响非辐射换热的贡献。

3、由此可见，设计和构建一种仿生结构的导热辐射协同散热薄膜，使导热填料在聚合物基体中有规则的排列，且界面接触光滑连续，可保证声子从导热方向有效传输，进而提高户外电子设备的稳定性及使用寿命，并可在一定程度上减缓能源消耗。

4、

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法。具体的技术方案如下：

2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

3、提供了一种基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其包括以下步骤：（1）将导热无机纳米填料溶解于极性溶剂中进行剥离，并对剥离后的溶液进行离心，取上清液备用；（2）将水性或油性树脂在水或有机溶剂中按比例进行共混并搅拌，得到聚合物基体分散液；（3）将上清液与聚合物基体分散液按比例进行共混，得到聚合物/无机纳米填料的分散液，其中导热无机纳米填料的用量为5-60wt%，水性或油性树脂的用量为40-95wt%；（4）将分散液移入过滤杯中，并通过真空泵抽滤装置对分散液进行真空抽滤，得到滤饼，其中过滤杯与真空装置之间设有滤膜；（5）对滤饼进行干燥，得到具有仿生结构的导热辐射协同制冷涂层；（6）剥离导热辐射协同制冷涂层上的滤膜，得到导热辐射协同制冷薄膜。

4、在其中一个实施例中，导热无机纳米填料包括氮化硼、氮化铝、氮化硅、砷化硼、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、mxene、氧化铝、氧化硅和氧化锆中一种或者多种；导热无机纳米填料的尺寸分布范围为0.5-50µm。

5、在其中一个实施例中，在步骤（1）中，剥离方法为机械剥离、球磨法、超声辅助溶剂直接剥离、化学气相沉积法、湿化学法和化学功能化法中的一种。

6、在其中一个实施例中，水性或油性树脂包括聚乙烯醇、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂、聚四氟乙烯和聚碳酸酯有机硅树脂中一种或者多种。

7、在其中一个实施例中，在步骤（3）中，上清液与聚合物基体分散液通过磁力搅拌、机械搅拌、气泡搅拌、均质或者超声方法共混。

8、在其中一个实施例中，滤膜使用醋酸纤维素膜，其直径是13-60mm、孔径是0.2-0.45µm。

9、在其中一个实施例中，在步骤（5）中，先将滤饼涂覆在基板或者散热器上，再进行干燥；其中基板为铝板、铜板或者塑料板，散热器为平板散热器或者翅片散热器。

10、在其中一个实施例中，在步骤（6）中，剥离导热辐射协同制冷涂层上的滤膜的同时，剥离基板或者散热器。

11、在其中一个实施例中，涂覆方法为喷涂、浇注、浸涂、辊涂和旋涂方法中的一种。

12、在其中一个实施例中，导热辐射协同制冷薄膜的平均太阳反射率为≥0.96，长波红外发射率为≥0.95，热导率最高达到23.6w/m·k，在夜间可降温4-25℃，正午可降温4-15℃。

13、在本发明实施例中，通过导热无机纳米填料制备上清液，同时通过水性或油性树脂制备聚合物基体分散液，然后通过将上清液与聚合物基体分散液按比例进行共混制备分散液，再对分散液进行真空抽滤制得滤饼，并干燥，最后剥离出导热辐射协同制冷薄膜，该导热辐射协同制冷薄膜同时兼具高太阳反射率、高红外发射率和高导热率性能，平均太阳反射率为≥0.96，长波红外发射率为≥0.95，热导率最高达到23.6w/m·k。本发明制备的导热辐射协同制冷薄膜具有优异的热稳定性、阻燃性、耐候性、耐磨性、防水性、抗污染性和抗氧化性，其简单低成本的制备方法也使其可以实现大规模生产，且可应用于5g基站、户外智能温度计、智能风速仪、大数据中心、无人机、led智慧路灯、人体可穿戴设备、户外应急通讯设备、高功率led显示屏、cmos相机和交通工具等散热领域。本发明的导热辐射协同制冷薄膜可以提高设备的可靠性及使用寿命，且零污染、零碳源的自发降温可有效降低温室气体的排放和减少能源的消耗。

14、

技术特征：

1.一种基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法 ，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，所述导热无机纳米填料包括氮化硼、氮化铝、氮化硅、砷化硼、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、mxene、氧化铝、氧化硅和氧化锆中一种或者多种；所述导热无机纳米填料的尺寸分布范围为0.5-50µm。

3.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，剥离方法为机械剥离、球磨法、超声辅助溶剂直接剥离、化学气相沉积法、湿化学法和化学功能化法中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，所述水性或油性树脂包括聚乙烯醇、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂、聚四氟乙烯和聚碳酸酯有机硅树脂中一种或者多种。

5.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述上清液与所述聚合物基体分散液通过磁力搅拌、机械搅拌、气泡搅拌、均质或者超声方法共混。

6.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，所述滤膜使用醋酸纤维素膜，其直径是13-60mm、孔径是0.2-0.45µm。

7.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，先将所述滤饼涂覆在基板或者散热器上，再进行干燥；其中所述基板为铝板、铜板或者塑料板，所述散热器为平板散热器或者翅片散热器。

8.根据权利要求7所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，剥离所述导热辐射协同制冷涂层上的滤膜的同时，剥离所述基板或者所述散热器。

9.根据权利要求7所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，所述涂覆方法为喷涂、浇注、浸涂、辊涂和旋涂方法中的一种。

10.根据权利要求1所述的基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其特征在于，所述导热辐射协同制冷薄膜的平均太阳反射率为≥0.96，长波红外发射率为≥0.95，热导率最高达到23.6w/m·k，在夜间可降温4-25℃，正午可降温4-15℃。

技术总结
本发明公开了一种基于仿生结构的导热辐射协同制冷薄膜的制备方法，其包括以下步骤：将导热无机纳米填料溶解于极性溶剂中进行剥离，并对剥离后的溶液进行离心，取上清液备用；将水性或油性树脂在水或有机溶剂中按比例进行共混并搅拌，得到聚合物基体分散液；将上清液与聚合物基体分散液按比例进行共混，得到聚合物/无机纳米填料的分散液；将分散液移入过滤杯中，并通过真空泵抽滤装置对分散液进行真空抽滤，得到滤饼，其中过滤杯与真空装置之间设有滤膜；对滤饼进行干燥，得到具有仿生结构的导热辐射协同制冷涂层；剥离导热辐射协同制冷涂层上的滤膜，得到导热辐射协同制冷薄膜，该薄膜同时兼具高太阳反射率、高红外发射率和高导热率性能。

技术研发人员：张轶楠,王彤,王昭,顾敏
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/28