輻射冷卻材料研究進(jìn)展

任首龍，陸庭中，唐波，高穎，戴遠(yuǎn)哲，吉利，趙勝悟

（1 常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213000；2 悅海智聯(lián)信息技術(shù)服務(wù)(常州)有限公司,江蘇 常州 213000）

隨著世界經(jīng)濟(jì)規(guī)模的快速增長(zhǎng)以及全球人口的迅速增加，能源的高消耗狀態(tài)持續(xù)導(dǎo)致著我國(guó)溫室氣體的大量排放，并引發(fā)全球變暖。然而目前通常使用的基于空調(diào)的主動(dòng)冷卻降溫方式會(huì)消耗大量電力及能源，加劇全球變暖趨勢(shì)，從而引起嚴(yán)重的環(huán)境與社會(huì)問(wèn)題。被動(dòng)輻射冷卻是一種環(huán)保的冷卻方式，并符合國(guó)家節(jié)能低碳的政策，具有較好的應(yīng)用前景。因此，具有良好輻射冷卻能力的輻射冷卻材料成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

太陽(yáng)輻射與地球表面發(fā)出輻射的相互作用關(guān)系如圖1所示，太陽(yáng)輻射能量集中于可見光與近紅外波段（0.3～2.5μm），其峰值位于可見光波段內(nèi)0.5μm 處。地球表面接收到太陽(yáng)輻射后，溫度高于絕對(duì)零度的物體就會(huì)向外發(fā)射熱輻射，能量集中于2.5～50μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，且大部分能量被大氣所吸收；而位于8～13μm波段范圍內(nèi)的能量能夠不經(jīng)過(guò)大氣吸收直接進(jìn)入宇宙空間，宇宙空間作為理想黑體能夠吸收所有來(lái)自地球的熱輻射。利用這一特性，輻射冷卻技術(shù)通過(guò)提高材料自身8～13μm波段的紅外發(fā)射率，將吸收的能量輻射到宇宙空間中，進(jìn)而大幅度降低地球表面溫度。綜上，無(wú)需能源消耗即可進(jìn)行冷卻降溫的輻射冷卻材料具有極大的研究意義。

圖1 太陽(yáng)輻射與地球表面熱輻射相互關(guān)系示意[2]

本文主要總結(jié)了國(guó)內(nèi)外制備各類輻射冷卻材料的方法，闡述了提升各類輻射冷卻材料性能的設(shè)計(jì)以及其在實(shí)際生活中的應(yīng)用，綜述了近年來(lái)輻射冷卻材料領(lǐng)域的發(fā)展，分析了現(xiàn)階段輻射冷卻材料存在的問(wèn)題，并對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 夜間輻射冷卻材料

自20世紀(jì)50年代Head首次系統(tǒng)性地報(bào)道了選擇性紅外輻射冷卻技術(shù)后，研究人員已經(jīng)提出多種用于夜間輻射冷卻的材料。由于陶瓷材料在紅外波段具有較高紅外發(fā)射率，所以起初陶瓷材料成為了主要研究對(duì)象。Eriksson 等指出氧化鋁的輻射冷卻能力與其厚度關(guān)系呈正相關(guān)，若需要達(dá)到0.7 以上的紅外發(fā)射率，那么必須將涂層厚度控制在0.3μm 以上，而常規(guī)涂料完全能夠達(dá)到這一水平，因此氧化鋁并未在輻射冷卻領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，Harrison 等僅將白色TiO涂料涂覆于建筑物外層便使室內(nèi)溫度降幅超過(guò)15℃，取得較好效果。此外Berdahl利用蒸鍍法向金屬基板上沉積一層MgO，研究表明其在8～13μm大氣窗口波段內(nèi)具有良好的紅外發(fā)射率，能夠?qū)y(cè)試環(huán)境溫度降低5℃。

隨著研究的深入，氮氧化硅材料由于其正好位于大氣窗口內(nèi)的光譜吸收帶，慢慢走進(jìn)人們的視野，也成為研究熱點(diǎn)之一。Eriksson 等通過(guò)磁控濺射技術(shù)分別制備了氮氧化硅薄膜以及氮化硅/二氧化硅雙層薄膜，測(cè)試結(jié)果表明，就輻射冷卻性能而言，氮氧化硅薄膜優(yōu)于氮化硅/二氧化硅雙層薄膜，其中SiON性能最佳，溫度降幅達(dá)16℃。然而，沒有足夠手段來(lái)繼續(xù)提高單層氮氧化硅薄膜的輻射冷卻能力，為此，Diatezua 等通過(guò)制備以氮氧化硅薄膜為基礎(chǔ)的多層薄膜結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步提升其夜間輻射冷卻能力，測(cè)試結(jié)果表明，制備的多層薄膜結(jié)構(gòu)最高能將環(huán)境溫度降低56℃，此創(chuàng)新性的制備方案也為后續(xù)的研究開辟了新的思路。

綜上所述，夜間輻射冷卻材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉且制備方法較為容易，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到較高水平，但其最大的局限性在于只適用于夜間，應(yīng)用場(chǎng)景單一。同時(shí)，大多數(shù)該種材料的制備方法為真空沉積以及磁控濺射法，導(dǎo)致此種類型的輻射冷卻材料不適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此截至目前為止還沒有大范圍應(yīng)用。另一方面，為實(shí)現(xiàn)全天持續(xù)冷卻的目標(biāo)，必須在白天達(dá)到有效的輻射冷卻，因此日間輻射冷卻材料是未來(lái)輻射冷卻領(lǐng)域中主要研究方向。

2 日間輻射冷卻材料

輻射冷卻材料夜間、日間工作原理如圖2 所示。相較于夜間輻射冷卻，日間輻射冷卻面臨的難點(diǎn)在于陽(yáng)光直射下大多數(shù)傳統(tǒng)熱輻射材料會(huì)吸收太陽(yáng)輻射導(dǎo)致自身溫度的升高，從而無(wú)法進(jìn)行有效的輻射散熱。而日間輻射冷卻材料可以克服以上缺點(diǎn)，此類材料既能在大氣窗口波段（8～13μm）擁有較高的發(fā)射率，同時(shí)又在可見光與近紅外波段（0.3～2.5μm）具有高反射率。然而，為了實(shí)現(xiàn)有效輻射冷卻，材料可見光波段與近紅外波段的反射率需要達(dá)到一定范圍（0.9～0.95）才能通過(guò)大氣窗口波段的熱輻射來(lái)平衡其他波段對(duì)于太陽(yáng)輻射的吸收，從而達(dá)到有效的輻射冷卻。綜合考量日間輻射冷卻材料自身性質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性分析，近十年來(lái)研究較多的日間輻射冷卻材料主要包括超材料、聚合物以及多層薄膜材料等。

圖2 輻射冷卻材料夜間/日間工作原理示意

2.1 超材料

與自然材料不同，超材料主要在實(shí)驗(yàn)室中制備，且其性質(zhì)由人工結(jié)構(gòu)決定。因此可以通過(guò)對(duì)其內(nèi)部宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性的調(diào)整從而獲得某些特殊的電磁特性。這些特殊性質(zhì)為其在輻射冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

2015 年Hossain 等首先提出并制造了由Al 層與Ge 層交替組成的圓錐形且各向異性的超材料結(jié)構(gòu)，這些圓錐形超材料柱形結(jié)構(gòu)能夠在8～13μm波段范圍內(nèi)形成強(qiáng)共振，且鍍?cè)诘撞康匿X板能夠提高整體結(jié)構(gòu)的反射率，該結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度下具有高達(dá)116.6W/m的極高冷卻功率。即使環(huán)境中存在非輻射式熱交換，該超材料也能夠?qū)y(cè)試環(huán)境溫度降至12.2℃。進(jìn)一步地，為解決上述超材料內(nèi)部疊加層數(shù)過(guò)多、不易制造等問(wèn)題，Zou 等制備了一種由金屬負(fù)載且摻雜硅諧振器的雙層超材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的寬光譜吸收能力以及較寬的發(fā)射光譜，與光譜中主要紅外大氣透明窗口相匹配。對(duì)其冷卻能力進(jìn)行仿真分析，該材料可實(shí)現(xiàn)的降溫幅度為11.14℃。然而這些基于金屬負(fù)載結(jié)構(gòu)的輻射冷卻器的金屬背板在使用過(guò)程中會(huì)屏蔽大量微波信號(hào)，繼而嚴(yán)重限制其在實(shí)際情況中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，Liu 等設(shè)計(jì)了一種使用低損耗電介質(zhì)來(lái)改善諧振質(zhì)量的電介質(zhì)諧振器，通過(guò)引入有損金屬成分的涂層制得該材料，在8～11μm的寬光譜范圍內(nèi)吸收率超過(guò)0.8，預(yù)計(jì)降低測(cè)試環(huán)境溫度12℃。同時(shí)該系統(tǒng)可以在0.5mm以上的微波環(huán)境中達(dá)到較為理想的透明度，該研究為超材料應(yīng)用于建筑物及汽車輻射冷卻領(lǐng)域奠定了重要基礎(chǔ)。

上述輻射冷卻器系統(tǒng)中都包含抑制光照吸收的金屬反射層，如果金屬層在使用過(guò)程中發(fā)生氧化、磨損以及腐蝕，那么輻射冷卻器的耐用性將大幅降低。為解決此問(wèn)題，Rephaeli 等提出一種緊湊型平面光子結(jié)構(gòu)輻射材料，該材料使用線性一維光子晶體代替金屬薄膜反射層、使用表面聲子-極化子處理后的石英與SiC組成的能夠產(chǎn)生互補(bǔ)諧振的二維光子晶體層作為熱輻射器組合為一個(gè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)白天輻射冷卻所需的寬帶光譜發(fā)射性能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)該材料最大程度地反射太陽(yáng)輻射時(shí)，在理論上能夠達(dá)到超過(guò)105W/m的冷卻功率。另外，如圖3，Wu 等受到撒哈拉銀色螞蟻毛發(fā)的啟發(fā)，在PDMS 上設(shè)計(jì)并制造了三角氣隙（TAG）以及橋狀氣隙（BAG）兩種類似銀色螞蟻毛發(fā)的光子結(jié)構(gòu)，其不會(huì)褪色的銀色來(lái)自于其獨(dú)特的仿生TAG/BAG結(jié)構(gòu)，可以代替金屬作為反射層，這保證了該結(jié)構(gòu)即使在惡劣的環(huán)境下也可長(zhǎng)期使用。除此之外，研究人員還從材料本身入手，尋找替代金屬反射層的方法。如Zhu等利用光刻法將空氣刻蝕到500μm厚的雙面拋光熔融SiO光子晶體層中，未在底部放置任何金屬薄膜，研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能夠在保持較高反射率的情況下有效提升大氣窗口波段內(nèi)的紅外發(fā)射率，將該結(jié)構(gòu)置于日照條件下能夠有效降溫13℃。

圖3 仿生光子結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)的概念性演示[17]

由于過(guò)往研究中超材料輻射冷卻器顏色大多為白色或銀色，有時(shí)并不適合實(shí)際應(yīng)用，研究人員逐漸開始對(duì)有色超材料進(jìn)行研究，Li等通過(guò)對(duì)各類顏色光子晶體輻射熱負(fù)荷的可調(diào)范圍進(jìn)行了全面的計(jì)算。結(jié)果表明，對(duì)于所有顏色，冷卻功率值都超過(guò)680W/m，并且由于同色異譜以及紅外吸收和輻射冷卻的影響，冷卻功率值可能高達(dá)866W/m，這為有色超材料的廣泛應(yīng)用提供了新的方向。

綜上，超材料是近年來(lái)最有前途的功能材料之一，且一直是輻射冷卻領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前研究中主要集中于通過(guò)精確設(shè)計(jì)制備超材料以獲得寬光譜范圍高反射率以及大氣窗口波段內(nèi)的高紅外發(fā)射率。這種材料性能優(yōu)異、耐候性好且可操控性強(qiáng)，適合作為輻射冷卻材料，但是目前大多數(shù)研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，較難大規(guī)模制造的原因在于超材料需要實(shí)驗(yàn)室精密儀器在納米精度范圍內(nèi)制備，且過(guò)程較為復(fù)雜，造價(jià)昂貴的同時(shí)較難應(yīng)用于形狀各異的基材上，可擴(kuò)展性較差。雖然現(xiàn)在已有固體SiO微球與聚-4-甲基-1-戊烯（TPX）聚合物混雜制備出的超表面能夠降低制備的復(fù)雜度，但是這對(duì)于能夠大規(guī)模制造還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以未來(lái)的研究重點(diǎn)在于如何簡(jiǎn)化超材料的制作工序以及如何利用傳統(tǒng)設(shè)備改變制備過(guò)程中的條件，制備出輻射冷卻性能優(yōu)異且可大規(guī)模制造的超材料。

2.2 聚合物

聚合物材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、易于大規(guī)模制造且紅外輻射特性優(yōu)良，因此在輻射冷卻材料領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。在起初的工作中，研究人員主要利用聚合物與金屬反射基片結(jié)合制備輻射冷卻器。Kou等首先利用100μm聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為頂層，并將銀層作為底層反射器在高真空環(huán)境下使用電子束蒸發(fā)法沉積雙層涂層，成功制備出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的聚合物材料，性能測(cè)試表明，在26℃的環(huán)境溫度下，該材料的凈冷卻功率密度為127W/m，在陽(yáng)光直射下低于環(huán)境溫度8.7℃。在此基礎(chǔ)上，Zhou等利用更為簡(jiǎn)便的溶液涂覆成膜工藝制備PDMS/金屬反射器雙層輻射冷卻材料并在不同環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)溫度降幅為9.5℃，室外環(huán)境中溫度降幅為11℃，且該輻射冷卻器的平均冷卻功率為120W/m。此外，由于PDMS在排污以及腐蝕防護(hù)方面的性能不如聚氟乙烯（PVF），所以Meng等提出了一種由PVF和Ag薄膜組成的雙層薄膜材料，該結(jié)構(gòu)具有較低的太陽(yáng)吸收率以及寬光譜范圍內(nèi)紅外發(fā)射率。對(duì)其進(jìn)行室外測(cè)試后結(jié)果表明，該冷卻器在太陽(yáng)直射下的平均溫度比環(huán)境溫度低2℃。雖然該輻射冷卻器耐候性得到提升，但是冷卻性能較之以往卻有所下降。

由于金屬反射層在室外易受腐蝕而失效，研究人員開始尋找其他方法取代，Mandal等提出一種基于相轉(zhuǎn)化方法制備出的內(nèi)部具有不規(guī)律納米孔的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯涂料，在不使用金屬反射基板的條件下，該涂料具有較高反射率（0.96±0.03）以及優(yōu)異的中長(zhǎng)波段紅外發(fā)射率（0.97±0.02），優(yōu)異的性能使得該涂層能夠在日照強(qiáng)度為890W/m的環(huán)境下溫度降幅約為6℃。在此基礎(chǔ)上，Xiang 等將SiO微球嵌入三維多孔醋酸纖維素聚合物中制備出可用于全天輻射冷卻的三維多孔聚合物膜。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該材料在日間冷卻溫度降幅約為6.2℃，比前者提升0.2℃，如圖4。

圖4 3DPCA/SiO2三維多孔聚合物膜制備過(guò)程[25]

另一方面，聚合物輻射冷卻材料的可擴(kuò)展性在實(shí)際應(yīng)用中也十分重要，研究者們?cè)谶@一方向上進(jìn)行了深入的研究。Li等使用靜電紡絲工藝大規(guī)模制備的聚合物納米纖維輻射冷卻材料在8～13μm波段范圍內(nèi)的選擇性發(fā)射率達(dá)到0.78，在0.3～2.5μm波段范圍內(nèi)反射率高達(dá)0.963，該納米纖維在日光照射下的溫度降幅為5℃。在此基礎(chǔ)上，Chen 等設(shè)計(jì)了一種彩色可大規(guī)模制備的雙層聚合物輻射冷卻涂料，該涂料頂層為著色劑，底層為多孔聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯與TiO的混合物。測(cè)試結(jié)果表明，該雙層聚合物輻射冷卻涂料的顏色和可見光反射率與商用單層涂料相差無(wú)幾，但是其8～13μm波段范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率（0.89）則比商用單層涂料（0.3）高得多。在日照強(qiáng)度為1025W/m的環(huán)境下，該輻射冷卻材料能夠?qū)y(cè)試環(huán)境溫度降低15.6℃。

上述工作幾乎都是在干旱環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試的，理論表明，大氣濕度將會(huì)嚴(yán)重降低輻射冷卻器對(duì)于大氣輻射的吸收能力和冷卻能力。在干旱環(huán)境中，16～25μm 波段范圍能夠成為第二個(gè)大氣窗口，從而使材料輻射冷卻能力大幅增加。但是，在高溫高濕環(huán)境下，8～13μm 及6～25μm 波段范圍內(nèi)的透射率會(huì)急劇下降。因此，材料的冷卻性能將會(huì)大幅降低。為解決這一問(wèn)題，Wang 等制備了具有微孔陣列與隨機(jī)納米孔相結(jié)合的超疏水多層聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，該種薄膜在日照強(qiáng)度為900W/m的環(huán)境中降溫幅度達(dá)6～8.9℃，超疏水化處理后的PMMA 薄膜能夠降低水分對(duì)于材料性能的影響，在潮濕的環(huán)境中，降溫幅度也能夠達(dá)到5.5℃。

綜上所述，聚合物材料本身具有的可見光波段的透明特性以及紅外輻射特性使得其在輻射冷卻領(lǐng)域中展示出巨大的潛力，但當(dāng)前研究中還存在如下不足之處。

（1）目前無(wú)需結(jié)合金屬反射層的三維多孔聚合物材料的輻射冷卻能力不盡如人意，所以未來(lái)要從材料本身入手，通過(guò)調(diào)整多孔材料的制備工藝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及摻雜微球種類來(lái)進(jìn)一步提升聚合物的反射率。

（2）有關(guān)聚合物材料在高溫高濕環(huán)境中輻射冷卻特性及內(nèi)部作用機(jī)理的研究較少，這樣會(huì)對(duì)輻射冷卻材料在高溫高濕地區(qū)的應(yīng)用造成阻礙，未來(lái)可以借鑒已有研究中的經(jīng)驗(yàn)，探究如何在高濕度環(huán)境中保持聚合物材料大氣窗口波段內(nèi)的高發(fā)射率。

（3）聚合物材料本身存在的最大問(wèn)題在于大多數(shù)聚合物材料在室外環(huán)境中容易降解而失效，已有研究者試圖利用抗紫外線涂料摻雜于聚合物中以提高聚合物在室外的耐候性，但是還沒有研究指出能夠改善聚合物的長(zhǎng)期耐久性具體方案。所以，聚合物耐久性的提高是聚合物輻射冷卻材料實(shí)際應(yīng)用的決定因素。

2.3 多層薄膜結(jié)構(gòu)材料

已有研究表明，通過(guò)堆疊不同類型電介質(zhì)層可以擴(kuò)大該結(jié)構(gòu)的光譜吸收帶范圍，并獲得更為優(yōu)異的發(fā)射光譜可調(diào)性。因此研究人員可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中每一層的厚度與材料來(lái)改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)的輻射特性，多層薄膜結(jié)構(gòu)材料因此獲得了較為廣泛的研究。

Raman等最先將多層薄膜輻射冷卻材料用作白天輻射冷卻降溫，設(shè)計(jì)了由7種厚度不同的HfO與SiO薄膜交替沉積在200nm銀片上組成輻射冷卻材料。將該材料放置于陽(yáng)光直射下，能夠?qū)h(huán)境溫度降低4.9℃。然而該材料的日間輻射冷卻能力并不理想。所以Mabchour 等在此基礎(chǔ)上將HfO薄膜更換為TO薄膜以獲得更為理想的光譜分布。檢測(cè)結(jié)果表明，此材料在太陽(yáng)光譜中具有近0.95的高反射率，在大氣透明窗口中擁有超過(guò)0.85的高發(fā)射率。仿真結(jié)果表明，該材料在陽(yáng)光直射下可降低20℃左右。由于AlO在10μm 波長(zhǎng)處擁有高吸收率，但是并不適合單獨(dú)作為輻射冷卻材料，所以Kecebas 等在已有研究的基礎(chǔ)上向上述系統(tǒng)中添加AlO層以改善系統(tǒng)的輻射冷卻性能，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)中各個(gè)氧化物層的厚度使系統(tǒng)的冷卻功率提高30～35W/m。更進(jìn)一步地，Zhu 等提出向上述多層薄膜結(jié)構(gòu)材料中插入MgF和TiO層能夠改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)的折射率分布，進(jìn)而利用這兩種材料的干涉效應(yīng)來(lái)提高材料的反射率，與先前的工作相比，增加MgF和TiO的薄膜層有效提高了紫外波段的太陽(yáng)反射率，從而提高了材料的冷卻性能。

上述輻射冷卻器都具有7層以上交替堆疊的層狀結(jié)構(gòu)，制備過(guò)程較為復(fù)雜。Chae等報(bào)道了一種僅具有三個(gè)紅外發(fā)射層的日間輻射冷卻材料，通過(guò)一維矩陣配方以及PSO方法對(duì)其優(yōu)化后，使得所制造的輻射冷卻材料在大氣透明窗口中的平均發(fā)射率為0.87，然而在太陽(yáng)光譜區(qū)域中的吸收率僅為0.05，該輻射冷卻材料在室外溫度降幅達(dá)8.2℃，如圖5。此外還有研究者利用其他理論計(jì)算方法對(duì)多層薄膜輻射冷卻器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，F(xiàn)an 等指出對(duì)于多層薄膜結(jié)構(gòu)，若所選冷卻材料在大氣窗口波段的吸收峰有明顯重疊，那么上層冷卻涂層將阻擋來(lái)自下層涂層的熱輻射；如果使用無(wú)發(fā)射光譜重疊的材料，則可以進(jìn)一步提高冷卻能力?；诖死碚摚珻unha等通過(guò)直流磁控濺射法制備了一種基于Al/SiN/TiO/SiO的多層選擇性輻射冷卻材料，該設(shè)備能夠在大氣窗口中顯示出高發(fā)射率，而在其他波段顯示出高半球反射率，凈冷卻功率為43W/m。另外，Wu 等基于遺傳算法從理論上提出了由沉積在玻璃上的五層交替的SiO與TiO組成的多層寬帶輻射冷卻材料，該結(jié)構(gòu)可以在6.9～40μm 的紅外區(qū)域內(nèi)強(qiáng)烈發(fā)射。在20℃的環(huán)境溫度下，設(shè)計(jì)的寬帶輻射冷卻材料可產(chǎn)生46.88W/m的凈冷卻功率。

圖5 基于PSO方法優(yōu)化后多層薄膜輻射冷卻材料的宏觀與微觀示意[36]

以上設(shè)計(jì)中僅基于設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識(shí)來(lái)優(yōu)化薄膜種類及厚度，但忽略了太陽(yáng)輻照度和大氣透射率的波動(dòng)，雖然材料被優(yōu)化，但并不能使其獲得最佳的輻射冷卻性能。為解決這一問(wèn)題，You 等基于遺傳算法（GA）與傳輸矩陣提出一種靈活的混合優(yōu)化策略并引入輻射冷卻功率密度這一概念來(lái)對(duì)日間輻射冷卻器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的輻射冷卻材料相比，通過(guò)此混合優(yōu)化策略能夠使材料的發(fā)射光譜隨太陽(yáng)輻照度和大氣透射率的波動(dòng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，該方法能夠有效提高材料的輻射冷卻性能。

相比于超材料與聚合物，多層薄膜輻射冷卻材料因?yàn)槠湟子诩庸ぁ⒁走M(jìn)行整體優(yōu)化等特點(diǎn)在輻射冷卻的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域擁有更大的發(fā)展?jié)摿?。以上研究表明，多層薄膜材料輻射冷卻性能的提升主要集中于優(yōu)化其中組分的種類和厚度來(lái)突破材料本身固有的光譜范圍內(nèi)吸收波段的限制，進(jìn)一步地人為控制其發(fā)射率與反射率。但是目前多層薄膜材料研究中的不足之處在于以下三點(diǎn)。

（1）多層薄膜輻射冷卻材料在制備過(guò)程中需要進(jìn)行多次真空沉積操作，這一制備方式成為該種材料大面積制備及應(yīng)用的阻礙，今后的研究中還應(yīng)借鑒聚合物材料研究中簡(jiǎn)化制備過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)探究利用簡(jiǎn)易設(shè)備制備多層薄膜材料的可行性。

（2）目前研究中多層薄膜材料的基板大多為反射率較高的金屬基板，一些特定情況下金屬不適用于實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)其耐用性不得而知，未來(lái)應(yīng)從薄膜結(jié)構(gòu)入手，利用薄膜層間優(yōu)化提高材料的發(fā)射率來(lái)擺脫對(duì)于金屬基板的依賴。

（3）當(dāng)前研究中制備的多層薄膜材料顏色較為單一（多為白色或銀色），可能會(huì)影響其在實(shí)際情況中的應(yīng)用，雖已有研究者提出利用金屬-絕緣體-金屬（MIM）薄膜諧振器來(lái)控制薄膜的顏色，但是研究只停留在初期，并不深入，未來(lái)還有待進(jìn)一步探討。

表1總結(jié)了超材料、聚合物以及多層薄膜輻射冷卻材料的各項(xiàng)性能。由表1可見，超材料擁有相對(duì)更高的反射率與紅外發(fā)射率，具有較好的輻射冷卻性能，但是由于其制備過(guò)程復(fù)雜，所以目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段；多層薄膜材料與聚合物材料的各項(xiàng)性能較為平均，成本較低的特點(diǎn)使得其應(yīng)用于實(shí)際的概率較高。另外，應(yīng)考慮將聚合物薄膜以及超材料與多層薄膜材料進(jìn)行合理結(jié)合，集中各類別材料的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升復(fù)合材料的輻射冷卻性能。

表1 部分日間輻射冷卻材料性能匯總

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 具有輻射冷卻功能的衣物

由于人體與周圍環(huán)境的輻射熱交換量占40%以上，且人體皮膚熱輻射主要處于7～14μm波段范圍內(nèi)，所以將輻射冷卻材料與衣物紡織品相結(jié)合能夠有效降低炎熱天氣下的人體溫度，從而有效節(jié)約能源。目前研究最為廣泛的紡織品輻射冷卻材料包括纖維素以及納米聚乙烯材料。Zhang 等制備了一種由具有伸縮特性的超細(xì)纖維與碳納米管包覆的三乙酸纖維素纖維絲復(fù)合而成的紡織物，該紡織物材料能夠根據(jù)環(huán)境溫度與濕度來(lái)調(diào)整自身的發(fā)射率，從而促進(jìn)人體輻射冷卻。但是，該設(shè)計(jì)只是概念上的突破，并未展示如何使人體有效降溫，同時(shí)該設(shè)計(jì)并未考慮熱量從人體傳遞到紡織品的熱傳導(dǎo)過(guò)程。為解決此問(wèn)題，Wei 等將熱導(dǎo)率較高的納米氧化鋁顆粒嵌入納米多孔乙酸纖維素中制備改性紡織品，并設(shè)計(jì)一系列降溫性能試驗(yàn)，結(jié)果表明其能夠?qū)⒛M皮膚的溫度降低2.3～8℃，具有良好的冷卻性能。

另一方面，由于聚乙烯材料具有優(yōu)異的中紅外透明性以及對(duì)于可見光波段較高的發(fā)射率，所以其在紡織物冷卻材料領(lǐng)域具有較為良好的前景。但是由于其表面帶有較高負(fù)電性，與人體皮膚的電性相反，因此在日常穿著中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的接觸帶電，導(dǎo)致人體不適。Peng等指出將納米多孔聚乙烯超細(xì)纖維作為基礎(chǔ)材料制備機(jī)織織物能夠解決此問(wèn)題，同時(shí)該紡織物能夠?qū)崿F(xiàn)如棉布般柔軟的觸感，如圖6。該紡織物出色的冷卻效果使得室內(nèi)測(cè)試物體溫度降低了2.3℃，相當(dāng)于節(jié)約了20%的能源。在此基礎(chǔ)上，Cai 等將納米氧化鋅顆粒嵌入納米多孔聚乙烯材料中來(lái)開發(fā)用于室外環(huán)境中人體輻射冷卻的納米復(fù)合織物。該材料具有超過(guò)0.9 的太陽(yáng)輻射反射率和人體熱輻射透過(guò)率，測(cè)試結(jié)果表明，該納米復(fù)合織物能夠有效將人體溫度上升幅度控制在10℃以內(nèi)，相當(dāng)于超過(guò)200W/m的冷卻功率。

圖6 以納米多孔聚乙烯超細(xì)纖維為原材料制備輻射冷卻紡織物[46]

綜上，目前用于增強(qiáng)人體輻射冷卻的新型紡織物的研究已經(jīng)較為成熟且擁有大規(guī)模推廣使用的潛力。但是，原料較為昂貴且制備過(guò)程較為復(fù)雜成為其實(shí)際應(yīng)用的阻礙。未來(lái)還應(yīng)繼續(xù)研究利用簡(jiǎn)單原材料代替已有研究中的復(fù)雜原材料來(lái)獲得較為優(yōu)異的輻射冷卻效果。同時(shí)，由于聚合物材料耐磨性以及透氣性較差，未來(lái)研究中有必要從這兩方面入手進(jìn)一步提升輻射冷卻材料的各項(xiàng)性能。此外，在未來(lái)研究中還應(yīng)該從汗液浸漬損耗、摩擦損耗、紫外線照射損耗等方面對(duì)新型紡織物材料輻射冷卻能力的影響進(jìn)行深入的研究。

3.2 太陽(yáng)電池輻射冷卻

由于太陽(yáng)電池接收的太陽(yáng)輻射并不能完全轉(zhuǎn)換成電能，因此有一部分會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能從而加熱電池板，研究表明，硅基太陽(yáng)電池溫度每上升1℃，效率就會(huì)下降0.45%；溫度每上升10℃，老化速率會(huì)翻倍。同時(shí)，輻射冷卻材料在進(jìn)行冷卻工作時(shí)無(wú)需其他能源消耗，所以利用輻射冷卻來(lái)降低太陽(yáng)電池運(yùn)行溫度并延長(zhǎng)其壽命是可行的。

Zhu 等首先提出一種沉積于硅基太陽(yáng)電池片上的二氧化硅金字塔形光子陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真分析，能夠?qū)⑻?yáng)電池的工作溫度降低18.3K。在此基礎(chǔ)上，Long等利用等離子體化學(xué)氣相沉積法設(shè)計(jì)并制備了一款微型SiO光柵作為太陽(yáng)電池的透明及輻射冷卻涂層，分別對(duì)涂覆與未涂覆該涂層的太陽(yáng)電池板進(jìn)行室外冷卻測(cè)試，結(jié)果表明，該SiO微光柵涂層能夠使太陽(yáng)電池板下降2℃。與此同時(shí)，Zhu 等指出透明SiO光子晶體擁有較為優(yōu)異的紅外發(fā)射率，甚至能夠提高太陽(yáng)電池板對(duì)于日光的吸收率，通過(guò)將SiO光子晶體放置于太陽(yáng)電池板的頂部能夠?qū)⒒鍦囟却蟠蠼档停ń捣^(guò)13℃），該研究為輻射冷卻材料在太陽(yáng)電池領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新方向。

另一方面，如圖7，Li 等制備了一種由AlO、SiN、TiO和SiO組成的多層薄膜涂層材料，該涂層能夠降低太陽(yáng)電池溫度5.7℃以上，但是該材料中包含40 層薄膜，涂層較厚會(huì)影響其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率。為解決此問(wèn)題，Kumar 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)僅SiO、SiN、TiO三層薄膜材料便能夠?qū)⑻?yáng)電池溫度降低1.9℃以上，盡管降溫幅度較小，但是該材料僅165nm，且具有很高透射率，能夠?qū)⑻?yáng)模塊的效率提升1%，具有很高實(shí)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，Kumar 等還對(duì)上述材料實(shí)際應(yīng)用性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與仿真模擬分析，結(jié)果表明，在炎熱和干燥的氣候條件下，具有三層薄膜輻射冷卻層的太陽(yáng)電池組件在經(jīng)過(guò)25年的室外運(yùn)行后效率并不衰減，且與單層薄膜材料相比，在30℃的環(huán)境溫度下三層薄膜材料使電池板溫度降低5.4℃；當(dāng)環(huán)境溫度為45℃，風(fēng)速為1m/s時(shí)，溫度降幅高達(dá)6.8℃。

圖7 輻射冷卻材料對(duì)太陽(yáng)電池板的能量吸收與熱輻射性能的影響[53]

以上研究表明，輻射冷卻材料能夠在無(wú)需其他能源消耗的情況下有效降低太陽(yáng)電池的工作溫度。但是該材料目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，阻礙其實(shí)際應(yīng)用的原因在于：①當(dāng)前研究中并未考慮所選材料的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率較低將會(huì)在實(shí)際情況中降低太陽(yáng)電池的散熱效率；②材料成本較為昂貴，降溫效率與其他降溫裝置相比并不突出，較長(zhǎng)的投資回報(bào)期阻礙了該材料的實(shí)際應(yīng)用。所以未來(lái)應(yīng)從這兩點(diǎn)出發(fā)，對(duì)提升太陽(yáng)電池所用輻射冷卻材料的熱導(dǎo)率以及進(jìn)一步降低其成本進(jìn)行廣泛的研究。

3.3 建筑冷卻

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)建筑物消耗的能源占總能源的30%以上，且全球變暖的趨勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步抬升環(huán)境溫度，為解決此問(wèn)題，開發(fā)建筑物被動(dòng)輻射冷卻材料具有十分重要的意義，且會(huì)對(duì)我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)與可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生有益影響。其中建筑冷卻占有很大比重，近年來(lái)也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

Fang 等基于名為RadiCold 的超材料薄膜開發(fā)出一種建筑物屋頂冷卻裝置，對(duì)其進(jìn)行建模并進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，經(jīng)由RadiCold超材料薄膜從建筑物散發(fā)到室外環(huán)境的熱量為137.6～268.7kWh/(m·a)，建筑物室內(nèi)外溫差相差5℃左右。然而，建筑輻射冷卻材料需要經(jīng)濟(jì)性好、便于施工、耐候性強(qiáng)以及可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。目前看來(lái)，具有較高紅外發(fā)射率和反射率的涂料是較有前途的建筑用輻射冷卻材料。Mandal等提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的白色TiO輻射冷卻涂料，但并未對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。進(jìn)一步地，Romeo 等將由高發(fā)射率（0.88）上層乳液涂層與高反射率（0.859）底漆復(fù)合而成的雙層涂料涂覆于建筑物屋頂并檢測(cè)其冷卻效果，結(jié)果表明，該涂層能夠?qū)⒔ㄖ锕ぷ鳒囟绕骄档?.3℃，展示出極大應(yīng)用潛力。此外，Kolokotroni 等將包含有熱塑性聚烯烴材料的涂料涂覆于一棟建筑屋頂，測(cè)試結(jié)果表明，在周圍溫度約為28℃的環(huán)境中，屋內(nèi)天花板表面溫度平均降低6.8℃，室內(nèi)空氣溫度降低2.3℃。

綜上所述，受制于價(jià)格、形狀各異的基體、環(huán)保以及施工難度等因素，建筑輻射冷卻材料的研究目前并不廣泛，大多集中于效果適中但通用性與可擴(kuò)展性好的涂料方向，但是涂料中的無(wú)機(jī)填料粉末可能會(huì)成為致癌物，當(dāng)前研究中對(duì)于所制涂料的環(huán)保性研究較少，同時(shí)目前制備的涂料大多為白色，會(huì)在一定程度上造成光污染。未來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)保有色建筑冷卻涂料進(jìn)行廣泛研究，以便于大范圍推廣使用。另一方面，除建筑物外圍涂覆材料外，還應(yīng)從建筑結(jié)構(gòu)材料方向入手，挖掘具有良好輻射冷卻特性與機(jī)械強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料的潛力，為提升我國(guó)建筑能源利用效率提供一條新路徑。

3.4 輔助冷卻結(jié)構(gòu)

雖然前人對(duì)輻射冷卻技術(shù)已進(jìn)行了大量研究，但是該技術(shù)目前仍不成熟，也并無(wú)有關(guān)商用設(shè)備投放市場(chǎng)。主要原因在于與其他主動(dòng)冷卻技術(shù)相比，輻射冷卻的冷卻功率密度相對(duì)較低，同時(shí)也會(huì)受到天氣與環(huán)境的影響，因此有研究者將輻射冷卻技術(shù)作為輔助冷卻結(jié)構(gòu)與其他技術(shù)手段相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)異的冷卻效果。

輻射冷卻技術(shù)能夠與其他冷卻技術(shù)結(jié)合來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)的冷卻能力。Voorthuysen等將輻射冷卻結(jié)構(gòu)與光熱（CSP）發(fā)電廠干式冷卻系統(tǒng)結(jié)合來(lái)降低傳統(tǒng)干式冷卻法對(duì)發(fā)電效率的不利影響，在該系統(tǒng)中，輻射冷卻材料在日間進(jìn)行輔助冷卻，夜間產(chǎn)生的冷氣被存儲(chǔ)在蓄冷裝置中供日間繼續(xù)使用。但是該設(shè)計(jì)僅進(jìn)行初步評(píng)估，并未強(qiáng)調(diào)輻射冷卻在復(fù)合冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。在此基礎(chǔ)上，Zeyghami 等通過(guò)計(jì)算CSP電廠冷卻系統(tǒng)功率循環(huán)的補(bǔ)充冷卻負(fù)荷與冷卻系統(tǒng)傳熱模型的輻射冷卻熱通量，提出了復(fù)合冷卻系統(tǒng)中所需的輻射冷卻結(jié)構(gòu)的面積。模擬計(jì)算結(jié)果表明，在理想工作條件下，輻射冷卻結(jié)構(gòu)能夠提供135W/m的補(bǔ)充冷卻功率。另一方面，Zhao等設(shè)計(jì)了一種輻射冷卻輔助熱電冷卻系統(tǒng)，由超材料薄膜制成的輻射冷卻結(jié)構(gòu)能夠全天不間斷制冷。根據(jù)不同的運(yùn)行模式，輻射冷卻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的冷卻能量既可以用于降低熱電冷卻系統(tǒng)高溫側(cè)的溫度，也可以儲(chǔ)存于蓄冷罐中供未來(lái)使用。測(cè)試結(jié)果表明，日間與夜間環(huán)境條件下輻射冷卻結(jié)構(gòu)的制冷量分別占復(fù)合冷卻系統(tǒng)的55%與45%。該結(jié)果也證明了輻射冷卻/熱電冷卻復(fù)合系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用的可行性。

此外，輻射冷卻技術(shù)還能夠與其他非冷卻技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能能源結(jié)構(gòu)。Matsuta 等首先提出夜間輻射冷卻與日間太陽(yáng)能集熱結(jié)合使用。他們將聚二氟乙烯薄膜涂覆于黑色銅板上，所制成的復(fù)合表面能夠在白天充當(dāng)太陽(yáng)能集熱器，在夜晚作為輻射冷卻器使用。但該設(shè)計(jì)僅提出構(gòu)想，并未進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)與輻射冷卻性能測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，Hu 等將鈦基太陽(yáng)能選擇性吸收劑與聚對(duì)苯二甲酸（PET）相結(jié)合，制備的復(fù)合材料在太陽(yáng)輻射和大氣窗口波長(zhǎng)中具有高光譜吸收率（發(fā)射率），測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)平板式太陽(yáng)能集熱器相比，該系統(tǒng)的加熱效率為86.4%，同時(shí)其夜間最大輻射冷卻功率為50.3W/m，具有較為優(yōu)異的全天工作能力。然而上述復(fù)合材料表面在太陽(yáng)輻射收集期間會(huì)在大氣窗口波段范圍內(nèi)向外發(fā)射能量，從而削弱系統(tǒng)集熱能力。為解決此問(wèn)題，Vall 等提出利用自適應(yīng)覆蓋層將太陽(yáng)能集熱與輻射冷卻技術(shù)相結(jié)合，制造出輻射收集/發(fā)射（RCE）裝置。該覆蓋層能夠在太陽(yáng)能集熱模式中提供太陽(yáng)輻射波段的高光譜透射率與紅外波段的低光譜透射率，而在輻射冷卻模式中提供大氣窗口波段的高光譜透射率。對(duì)RCE裝置進(jìn)行晝夜集熱/冷卻性能測(cè)試，結(jié)果表明，復(fù)合系統(tǒng)在日間的加熱功率峰值達(dá)583W/m，夜間冷卻功率峰值為33W/m，該研究為太陽(yáng)能集熱/輻射冷卻復(fù)合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。

如上所述，對(duì)于輻射冷卻/其他冷卻技術(shù)復(fù)合系統(tǒng)，輻射冷卻材料的簡(jiǎn)易工作原理以及不消耗能源便可制冷等特性使其具有大規(guī)模推廣使用的潛力，但是目前輻射冷卻材料大多為靜態(tài)冷卻，當(dāng)環(huán)境溫度下降到一定程度時(shí)，無(wú)法自動(dòng)停止冷卻從而造成過(guò)度冷卻是該系統(tǒng)面臨的問(wèn)題，已有研究人員提出在現(xiàn)有輻射冷卻材料中結(jié)合相變材料來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)輻射冷卻，但是研究并不深入，未來(lái)還要從這一方向上進(jìn)行深入研究。

對(duì)于輻射冷卻/太陽(yáng)能集熱復(fù)合系統(tǒng)，雖然當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道中的復(fù)合系統(tǒng)兼具太陽(yáng)能集熱與輻射冷卻能力，但是大多只停留于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)其集熱效率與輻射冷卻功率并不理想。如何降低系統(tǒng)中輻射冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)集熱能力的影響是當(dāng)前的技術(shù)難題。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)能集熱板需要傾斜一定角度以吸收太陽(yáng)輻射，但是當(dāng)前有關(guān)不同傾斜角度對(duì)于材料輻射冷卻能力影響的研究較少。未來(lái)還應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)，探尋最佳傾斜角度以獲得最佳集熱效率與輻射冷卻功率。

4 結(jié)語(yǔ)

輻射冷卻材料近年來(lái)一直是功能材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。其中，由人為控制晶格結(jié)構(gòu)的超材料能夠在有效反射太陽(yáng)輻射的同時(shí)擁有較高發(fā)射率，但是其需要在納米精度范圍內(nèi)嚴(yán)格精確地制造，較難擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低的聚合物材料也擁有較為優(yōu)異的輻射冷卻特性，但是易在室外環(huán)境中降解，成為其實(shí)際應(yīng)用的最大障礙；多層薄膜結(jié)構(gòu)材料易于加工且易于整體優(yōu)化的特性使其成為最具實(shí)際應(yīng)用潛力的輻射冷卻材料，但是真空沉積制備過(guò)程以及對(duì)于金屬基板的依賴卻阻礙了其大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

綜上，各類輻射冷卻材料都擁有各自的局限性，對(duì)其進(jìn)行合理結(jié)合，集中各類別材料的優(yōu)勢(shì)，制備出低成本且具有多種優(yōu)異性能的輻射冷卻材料是未來(lái)主要發(fā)展方向，另外還需從以下方面進(jìn)行深入研究。

（1）目前大多數(shù)研究還處于各類輻射冷卻材料的實(shí)驗(yàn)室制備上，并未對(duì)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際使用后材料自身的輻射冷卻特性（反射率、光譜發(fā)射率）、耐候性、平均工作壽命等方面進(jìn)行完整評(píng)估，以至于大規(guī)模推廣使用速度緩慢。

（2）環(huán)境溫度、天空云量、當(dāng)?shù)仫L(fēng)速與放置傾斜角等外界條件都會(huì)對(duì)材料的輻射冷卻能力產(chǎn)生影響，但是目前對(duì)這些影響因素還鮮有探討。

（3）輻射冷卻材料與相變材料復(fù)合而成的自適應(yīng)輻射冷卻材料能夠根據(jù)外界溫度變化來(lái)改變自身輻射冷卻特性，但如何提升二者的相容性有待進(jìn)一步探索。

（4）探究更多具有可操控電磁波特性的材料，如石墨烯已在電磁波調(diào)制領(lǐng)域被廣泛研究，同時(shí)其還具有高熱導(dǎo)率以及高紅外發(fā)射率等特性，但是在輻射冷卻材料研究領(lǐng)域還是空白。

（5）開發(fā)輻射冷卻分析軟件并建立輻射冷卻材料大數(shù)據(jù)庫(kù)，有利于復(fù)合系統(tǒng)在不同環(huán)境、工況下迅速匹配合適種類的輻射冷卻材料，降低前期選材成本。