南方科技大学孙大陟老师团队提出自维持型混合被动散热器实现户外电子设备高效热管理！【Adv.Sci.】

户外电子设备是现代社会的基础设施，但其可靠运行面临着强烈的太阳辐射与高功率热冲击同时作用的严峻挑战。

2026年8月14日，南方科技大学材料科学与工程系孙大陟老师团队在国际顶级期刊《Advanced Science》发表题为“Self-Sustaining Hybrid Passive Cooler Enabling Highly Effective Thermal Management for Outdoor Electronics”《可实现户外电子设备高效热管理的自维持型混合被动散热器》的研究成果。

为应对这一挑战，作者提出了一种创新的混合型被动冷却器（HPC），该装置将多孔透湿辐射冷却涂层与自主收集大气湿气的水凝胶集成于三聚氰胺海绵骨架之中。由此实现了辐射冷却、显热吸收和潜热蒸发之间的协同作用，为户外电子设备的卓越热管理提供了保障。

在持续太阳辐射下，该HPC使加热器保持的温度平均比环境空气低8.3 ℃；当进一步承受2000 W·m⁻²的强热冲击30分钟时，其最大降温幅度可达约42.4 ℃。值得注意的是，通过利用其自主的大气水分收集能力，HPC在同时承受高热冲击和太阳辐射的情况下，仍能持续约3小时提供稳定可靠的热管理性能。因此，这项研究为户外电子设备提供了一种高效、可持续且可扩展的热管理解决方案。

主要内容：

户外电子设备的混合被动冷却策略

图1. 混合被动式冷却器（HPC）的设计。（a）太阳辐射和热冲击条件下户外电子设备热管理问题的示意图。（b）HPC的结构及其多机制协同冷却原理示意图。（c）无热冲击（模型A）与热冲击（模型B）条件下冷却模式的对比。(d) 无热冲击工况下（25 ℃–45 ℃）HPC的制冷功率计算：辐射冷却与LH蒸发冷却的协同作用。(e) 热冲击工况下（25–100 ℃）HPC的制冷功率计算：辐射冷却、显热吸收与潜热蒸发冷却的协同作用。

形貌与光学性质：

图2. HPC的形态与光学性质。（a）喷涂在MS表面上的辐射冷却涂层的示意图及其微观结构。P(VdF-HFP)涂层（a1）和P(VdF-HFP)/PEG涂层（a2）的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）采用不同喷涂工艺制备的样品的孔径分布对比。(c) P(VdF-HFP)与P(VdF-HFP)/PEG涂层的水蒸气透过率及水接触角对比。(d) 不同孔径P(VdF-HFP)在0.25–2.5 µm波长范围内的散射效率。(e) 不同HPC样品的太阳反射率与红外发射率光谱对比。(f) 大规模HPC样品及多种形状切割样品的户外展示。

环境吸附-脱附特性：

图3. HPC的水蒸气吸附-脱附及热性能。（a）HPC水蒸气吸附机理示意图。（b）不同HPC样品经7天环境暴露后的差示扫描量热法（DSC）曲线。（c）经7天环境暴露后，不同浓度LiCl溶液中HPC样品各组分的质量百分比。（d）不同HPC样品的拉曼光谱。(e) 不同HPC样品在80°C脱水及室温、60%相对湿度条件下吸水时的质量比变化。(f) HPC₄₅样品在不同湿度条件下的吸水速率随时间变化曲线。(g) 不同比表面积的HPC₄₅样品在60±3% RH条件下的吸水行为。(h) HPC₄₅样品在90% RH条件下吸附后，于不同加热温度下脱水的情况。(i) 在25 ℃、90% RH条件下进行吸附，90 ℃条件下进行脱水，共进行了40次吸脱水循环测试。

户外热缓冲性能:

图4. HPC的户外热缓冲性能。（a）不同冷却器的室外试验装置示意图。在2000 W m−2热冲击和太阳辐射作用下（持续30分钟），不同冷却器的温度变化（b）和温差（c）。（d）加热器热冲击过程中HPC传热模型的示意图。(e) 下午12:00至晚上8:00期间，在2000 W m⁻²热冲击条件下，不同冷却器在8个间隔、每个间隔30分钟的热冲击过程中的温度变化。(f) 不同热冲击功率密度下，未覆盖HPC的心脏与覆盖HPC的心脏的温度变化对比。在持续1小时、功率密度为2000 W m⁻²的热冲击和太阳辐射条件下，不同冷却器的温度变化（g）和温差（h）。

面积拓展提升热缓冲效果：

图5. 不同面积HPC的热缓冲性能。（a）不同面积HPC的室外试验装置示意图。在持续1小时、强度为2000 W m⁻²的热冲击条件下，不同面积HPC的温度变化（b）和温差（c）。（d）为期五天的户外测试，每天进行3小时的热冲击（2000 W m⁻²），同时存在太阳辐射和温度变化。(e) 带外壳和热源的户外电子设备模拟装置示意图。左侧展示了基于散热片的冷却模式，右侧则展示了集成HPC的冷却模式。(f) 在持续3小时、强度为2000 W m⁻²的热冲击和太阳辐射条件下，不同冷却策略的温度变化和温差。

辐射制冷性能：

结论：

总而言之，本研究通过提出一种自维持型混合被动冷却器（HPC），解决了户外电子设备面临的两大关键热挑战——太阳辐射和高功率运行冲击。该HPC由透气性P(VdFHFP)辐射涂层和聚丙烯酰胺（PAm）水凝胶组成，后者能够通过三聚氰胺海绵（MS）骨架自主采集大气中的水分。这种整体式设计形成了一个协同系统，将辐射冷却与吸湿-脱湿热管理能力相结合。实验表明，HPC能够实现高效的低于环境温度的冷却，在持续太阳辐射下，通过辐射冷却和潜热蒸发，将平均温度维持在比环境空气低 8.3 ℃的水平。更重要的是，当受到 2000 W m^-2的强热冲击时，它通过辐射冷却、显热吸收和潜热蒸发的综合作用，实现了最高42.4 ℃的温度降幅。系统性的户外循环测试和仿真证实，HPC在不同几何结构下均具备可扩展的制冷能力，并凭借其自主的大气水分采集能力，在长达3小时的热冲击过程中展现出可靠且稳定的性能。这些进展验证了HPC作为户外电子设备热管理领域创新且可持续的解决方案的有效性。

原文信息：https://doi.org/10.1002/advs.77183

团队介绍：南方科技大学孙大陟教授团队长期致力于功能材料与热管理技术研究，在辐射冷却、相变储能等领域取得多项突破性成果。课题组链接：

https://faculty.sustech.edu.cn/?tagid=sundz&iscss=1&snapid=1&orderby=date&go=2

自维持混合被动散热器户外电子热管理