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被動冷卻

（映維網(wǎng)Nweon?2023年02月20日）溫度波動會對AR/VR等可穿戴設備的性能和/或用戶舒適性產(chǎn)生不利影響，比如高溫情況。然而，諸如水冷這樣的方法通常需要復雜的設計和配件，難以適用于AR/VR。

所以在名為“High modulus, high thermal conductivity radiative passive coolant”的專利申請中，Meta希望從材料學入手，選擇可以提供恰當被動冷卻的材料設計。這家公司指出，通過材料設計的被動冷卻可以在太陽加熱光譜波長（0.25-2.5微米）中反射，并且在長波長IR（8-14微米）中發(fā)射，從而實現(xiàn)高冷卻功率?？缭教柤訜峁庾V的高反射率可以在太陽光譜內(nèi)提供小的能量吸收，而長波紅外（LWIR）內(nèi)的高發(fā)射率則允許表面輻射并與大氣交換熱量。

概括來說，發(fā)明主要描述了包括聚合物雙層和多層的聚合物層，以及制造所述聚合物層的過程步驟。示例性聚合物雙層（例如薄膜）可包括多孔含氟聚合物層和拉伸超高分子量聚乙烯（UHMWPE）層。聚合物雙層可以通過層壓形成。

聚合物雙層可與可穿戴設備共同集成，而通過將含氟聚合物的高發(fā)射率和LWIR區(qū)域中UHMWPE的高透明度結(jié)合起來，在白天使用期間可以實現(xiàn)被動冷卻。另外，UHMWPE的高導熱性可通過流熱傳輸增加熱耗散。

在一個實施例中，多孔含氟聚合物可以包括基于PVDF的聚合物，例如PVDF均聚物、PVDF-CTFE、PVDF-HFP、PVDF-TFE、PVDF-TPE、PVDF TrFE和PVDF-TrFE TFE，以及它們的組合和共聚物。

在一個實施例中，多孔含氟聚合物的特征在于孔隙率至少約為15 vol. %。多孔含氟聚合物內(nèi)的平均孔徑可為至少約100nm，例如100、200、500或1000nm。多孔含氟聚合物層內(nèi)的孔徑分布可以是單峰、雙峰或多分散。

多孔含氟聚合物可使用適于在含氟聚合物層內(nèi)產(chǎn)生孔隙率的發(fā)泡劑形成。在另一示例性方法中，多孔含氟聚合物可通過在非溶劑浴中聚合物溶液的反相分離形成。

在一個實施例中，含氟聚合物層的特征在于至少約40%的太陽光譜反射率，以及至少約40%的長波紅外發(fā)射率。

多孔含氟聚合物可包括例如高分子量或超高分子量聚偏氟乙烯。在一個結(jié)構(gòu)中，多孔含氟聚合物層可以具有從約0.2mm到約1.0mm的厚度，并且至少一個面尺寸為至少約1cm。

聚合物薄膜的折射率和熱調(diào)節(jié)行為以及其他屬性可由其化學成分、聚合物重復單元的化學結(jié)構(gòu)、密度和結(jié)晶度以及晶體和/或聚合物鏈的排列來確定。在所述因素中，晶體或聚合物鏈排列可能占主導地位。在結(jié)晶或半結(jié)晶聚合物薄膜中，折射率和熱調(diào)節(jié)行為可以與晶體取向的程度或程度相關，而鏈取向的程度和程度可以在聚合物薄膜內(nèi)的非晶相中產(chǎn)生類似的響應。

施加的應力可用于在聚合物薄膜內(nèi)形成晶體或聚合物鏈的優(yōu)選排列，并沿薄膜的不同方向誘導屬性的相應修改。

在PVDF和相關聚合物中，由于聚合物鏈纏結(jié)，結(jié)晶的總程度以及晶體的排列可能受到限制，而來自聚合物溶液的凝膠澆鑄方法可以促進聚合物鏈的解開和排列。

聚合物溶液可包括一種或多種可結(jié)晶聚合物、一種或多種添加劑和一種或更多種液體溶劑。例如，凝膠澆鑄可提供對聚合物組成和濃度、液體溶劑的選擇和濃度以及澆鑄溫度中的一種或多種的控制，從而促進減少聚合物鏈的纏結(jié)，并允許聚合物膜在隨后的變形步驟期間獲得更高的拉伸比。

在一個實施例中，可以向聚合物溶液中加入一種或多種低分子量添加劑。一種或多種可結(jié)晶聚合物和添加劑的分子量分布可分別為單分散、雙峰或多分散。

圖1示出了示例性聚合物雙層100，其包括直接覆蓋在聚偏氟乙烯（PVDF）層104上的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）層102。在各種雙層結(jié)構(gòu)中，聚偏氟乙烯可以是多孔的，而聚乙烯層可以是多孔或致密的。各個聚合物層可以共同連續(xù)地或單獨地形成，并且隨后結(jié)合?？梢允褂枚喾N方法來形成聚合物雙層。

圖4-7中所示的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）反射率數(shù)據(jù)提供了被動冷卻屬性洞察。

圖4示出了單層非光學級聚乙烯的反射率曲線400。在LWIR光譜（λ～8-14微米）內(nèi)，聚乙烯薄膜的反射率大于約10%，即約10%至約35%。假設透射率為零，非光學級聚乙烯薄膜的LWIR發(fā)射率在約65%至約90%的范圍內(nèi)，這可能不足以有效傳遞在雙層內(nèi)或雙層上游累積的熱能。

圖5示出了包括非光學級聚乙烯層和相鄰IR反射涂層的復合結(jié)構(gòu)的反射率曲線500。在長波長紅外光譜內(nèi)，添加IR反射涂層可有利地降低復合結(jié)構(gòu)相對于PE薄膜的反射率。如圖5所示，長波長紅外光譜（λ～8-14微米）的反射率小于約10%，例如小于約5%。

然而，紅外反射涂層的加入可能會降低紅外光譜較短波長（0.25<λ<5微米）內(nèi)的反射率，這可能會促進太陽加熱光譜的吸收（而不是反射）。在反射率曲線500中，紅外光譜的較短波長（0.25<λ<5微米）內(nèi)的反射率可為約5%或更大，例如約10%。?

圖6示出了包括非光學級聚乙烯層和PVDF支撐的多孔PVDF泡沫層的復合結(jié)構(gòu)的反射率曲線600。如圖6所示，紅外光譜的較短波長（0.25＜λ＜5微米上的反射率大于約10%，例如大于約15%，而長波長紅外光譜（λ～8-14微米）上反射率小于約10%，如小于約5%。

圖7示出了包括光學級（光學透明）聚乙烯層、顏料層和PVDF支撐的多孔PVDF泡沫層的復合結(jié)構(gòu)的反射率曲線700。

隨著光學級聚乙烯層的加入，顏料層可以包括在例如聚乙烯和PVDF泡沫層之間。如圖7所示，這種疊層（PE/顏料/PVDF泡沫/PVDF載體）在紅外光譜的較短波長（0.25＜λ＜5微米）的反射率可以大于約10%，例如大于約15%或大于約20%，而長波長紅外光譜（λ～8-14微米）的反射率可能小于約10%。這種熱調(diào)節(jié)行為的組合可以有效地被動冷卻固定到PE/顏料/PVDF泡沫/PVDF支撐結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)或裝置。

如Meta所示，聚合物結(jié)構(gòu)包括超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的光學透明層，可以通過利用UHMWPE層在LWIR光譜（8-14μm）的透明度和高熱導率，從而在共集成元件或器件中實現(xiàn)被動冷卻。在一個實施例中，UHMWPE可具有至少約300000 g/mol的分子量。UHMWPE層的高導熱性可通過熱傳輸增加熱耗散。

除了光學質(zhì)量UHMWPE之外，聚合物結(jié)構(gòu)可以包括IR反射層，例如著色IR反射涂料層。在一個實施例中，聚合物結(jié)構(gòu)可另外包括多孔PVDF層。多孔PVDF層的特征在于它在UV、可見光和近紅外光譜中具有高反射率，以及在LWIR中具有高發(fā)射率。

UHMWPE層和任選的PVDF層可以同時形成，例如，通過共擠出或者單獨形成，然后層壓以形成多層聚合物結(jié)構(gòu)。進一步的薄膜形成技術包括熔融擠壓、鑄造、壓延、壓縮成型等?？蓪Ω鲗踊蚪M裝的聚合物結(jié)構(gòu)進行拉伸操作，以誘導應變并產(chǎn)生所需的光學財產(chǎn)，包括所需的熱調(diào)節(jié)響應。

相關專利：Meta Patent | High modulus, high thermal conductivity radiative passive coolant

名為“High modulus, high thermal conductivity radiative passive coolant”的Meta專利申請最初在2022年6月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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