Meta专利提出被动冷却的AR/VR设备聚合物材料设计

　　温度波动会对AR/VR等可穿戴设备的性能和/或用户舒适性产生不利影响，比如高温情况。然而，诸如水冷这样的方法通常需要复杂的设计和配件，难以适用于AR/VR。

　　所以在名为“High modulus, high thermal conductivity radiative passive coolant”的专利申请中，Meta希望从材料学入手，选择可以提供恰当被动冷却的材料设计。这家公司指出，通过材料设计的被动冷却可以在太阳加热光谱波长(0.25-2.5微米)中反射，并且在长波长IR(8-14微米)中发射，从而实现高冷却功率。跨越太阳加热光谱的高反射率可以在太阳光谱内提供小的能量吸收，而长波红外(LWIR)内的高发射率则允许表面辐射并与大气交换热量。

　　概括来说，发明主要描述了包括聚合物双层和多层的聚合物层，以及制造所述聚合物层的过程步骤。示例性聚合物双层(例如薄膜)可包括多孔含氟聚合物层和拉伸超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层。聚合物双层可以通过层压形成。

　　聚合物双层可与可穿戴设备共同集成，而通过将含氟聚合物的高发射率和LWIR区域中UHMWPE的高透明度结合起来，在白天使用期间可以实现被动冷却。另外，UHMWPE的高导热性可通过流热传输增加热耗散。

　　在一个实施例中，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，以及它们的组合和共聚物。

　　在一个实施例中，多孔含氟聚合物的特征在于孔隙率至少约为15 vol. %。多孔含氟聚合物内的平均孔径可为至少约100nm，例如100、200、500或1000nm。多孔含氟聚合物层内的孔径分布可以是单峰、双峰或多分散。

　　多孔含氟聚合物可使用适于在含氟聚合物层内产生孔隙率的发泡剂形成。在另一示例性方法中，多孔含氟聚合物可通过在非溶剂浴中聚合物溶液的反相分离形成。

　　在一个实施例中，含氟聚合物层的特征在于至少约40%的太阳光谱反射率，以及至少约40%的长波红外发射率。

　　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。在一个结构中，多孔含氟聚合物层可以具有从约0.2mm到约1.0mm的厚度，并且至少一个面尺寸为至少约1cm。

　　聚合物薄膜的折射率和热调节行为以及其他属性可由其化学成分、聚合物重复单元的化学结构、密度和结晶度以及晶体和/或聚合物链的排列来确定。在所述因素中，晶体或聚合物链排列可能占主导地位。在结晶或半结晶聚合物薄膜中，折射率和热调节行为可以与晶体取向的程度或程度相关，而链取向的程度和程度可以在聚合物薄膜内的非晶相中产生类似的响应。

　　施加的应力可用于在聚合物薄膜内形成晶体或聚合物链的优选排列，并沿薄膜的不同方向诱导属性的相应修改。

　　在PVDF和相关聚合物中，由于聚合物链缠结，结晶的总程度以及晶体的排列可能受到限制，而来自聚合物溶液的凝胶浇铸方法可以促进聚合物链的解开和排列。

　　聚合物溶液可包括一种或多种可结晶聚合物、一种或多种添加剂和一种或更多种液体溶剂。例如，凝胶浇铸可提供对聚合物组成和浓度、液体溶剂的选择和浓度以及浇铸温度中的一种或多种的控制，从而促进减少聚合物链的缠结，并允许聚合物膜在随后的变形步骤期间获得更高的拉伸比。

　　在一个实施例中，可以向聚合物溶液中加入一种或多种低分子量添加剂。一种或多种可结晶聚合物和添加剂的分子量分布可分别为单分散、双峰或多分散。

　　图1示出了示例性聚合物双层100，其包括直接覆盖在聚偏氟乙烯(PVDF)层104上的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层102。在各种双层结构中，聚偏氟乙烯可以是多孔的，而聚乙烯层可以是多孔或致密的。各个聚合物层可以共同连续地或单独地形成，并且随后结合。可以使用多种方法来形成聚合物双层。

　　图4-7中所示的傅里叶变换红外光谱(FTIR)反射率数据提供了被动冷却属性洞察。

　　图4示出了单层非光学级聚乙烯的反射率曲线400。在LWIR光谱(λ～8-14微米)内，聚乙烯薄膜的反射率大于约10%，即约10%至约35%。假设透射率为零，非光学级聚乙烯薄膜的LWIR发射率在约65%至约90%的范围内，这可能不足以有效传递在双层内或双层上游累积的热能。

　　图5示出了包括非光学级聚乙烯层和相邻IR反射涂层的复合结构的反射率曲线500。在长波长红外光谱内，添加IR反射涂层可有利地降低复合结构相对于PE薄膜的反射率。如图5所示，长波长红外光谱(λ～8-14微米)的反射率小于约10%，例如小于约5%。

　　然而，红外反射涂层的加入可能会降低红外光谱较短波长(0.25<λ<5微米)内的反射率，这可能会促进太阳加热光谱的吸收(而不是反射)。在反射率曲线500中，红外光谱的较短波长(0.25<λ<5微米)内的反射率可为约5%或更大，例如约10%。

　　图6示出了包括非光学级聚乙烯层和PVDF支撑的多孔PVDF泡沫层的复合结构的反射率曲线600。如图6所示，红外光谱的较短波长(0.25<λ<5微米上的反射率大于约10%，例如大于约15%，而长波长红外光谱(λ～8-14微米)上反射率小于约10%，如小于约5%。

　　图7示出了包括光学级(光学透明)聚乙烯层、颜料层和PVDF支撑的多孔PVDF泡沫层的复合结构的反射率曲线700。

　　随着光学级聚乙烯层的加入，颜料层可以包括在例如聚乙烯和PVDF泡沫层之间。如图7所示，这种叠层(PE/颜料/PVDF泡沫/PVDF载体)在红外光谱的较短波长(0.25<λ<5微米)的反射率可以大于约10%，例如大于约15%或大于约20%，而长波长红外光谱(λ～8-14微米)的反射率可能小于约10%。这种热调节行为的组合可以有效地被动冷却固定到PE/颜料/PVDF泡沫/PVDF支撑结构的系统或装置。

　　如Meta所示，聚合物结构包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的光学透明层，可以通过利用UHMWPE层在LWIR光谱(8-14μm)的透明度和高热导率，从而在共集成元件或器件中实现被动冷却。在一个实施例中，UHMWPE可具有至少约300000 g/mol的分子量。UHMWPE层的高导热性可通过热传输增加热耗散。

　　除了光学质量UHMWPE之外，聚合物结构可以包括IR反射层，例如着色IR反射涂料层。在一个实施例中，聚合物结构可另外包括多孔PVDF层。多孔PVDF层的特征在于它在UV、可见光和近红外光谱中具有高反射率，以及在LWIR中具有高发射率。

　　UHMWPE层和任选的PVDF层可以同时形成，例如，通过共挤出或者单独形成，然后层压以形成多层聚合物结构。进一步的薄膜形成技术包括熔融挤压、铸造、压延、压缩成型等。可对各层或组装的聚合物结构进行拉伸操作，以诱导应变并产生所需的光学财产，包括所需的热调节响应。

　　名为“High modulus, high thermal conductivity radiative passive coolant”的Meta专利申请最初在2022年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。