紅外輻射調(diào)控原理及其在熱管理應(yīng)用中的材料研究進(jìn)展

何美瑩，岳學(xué)杰，張濤，邱鳳仙

（江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

近年來(lái)，建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展造成了巨大的建筑能耗。世界上大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家（如中國(guó)）正在進(jìn)行城鎮(zhèn)化建設(shè)，居民為了提高室內(nèi)的熱舒適性，在建筑物內(nèi)部大量安裝且高頻使用供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC），HVAC 系統(tǒng)不僅會(huì)消耗大量能源，而且會(huì)導(dǎo)致“凈加熱效應(yīng)”。而由“凈加熱效應(yīng)”引發(fā)的熱島效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致城市制冷能耗增加，電力峰值需求增加，加劇城市熱浪的產(chǎn)生，加速有害霧霾的形成，從而危害人體生命健康與環(huán)境安全。據(jù)估計(jì)，全球建筑能耗約占全球總能耗的40%，其中由HVAC 系統(tǒng)造成的能耗約占全球總能耗的30%，造成的溫室氣體排放量占總排放量的三分之一，若不加以控制，預(yù)計(jì)到2050 年，建筑能耗造成的溫室氣體排放量將會(huì)占總排放量的50%左右。傳統(tǒng)的石化能源利用率較低所造成的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，迫使人們尋求清潔能源及污染控制的方法。而控制建筑能耗是減少溫室氣體排放量的有效手段之一，其中最關(guān)鍵的問(wèn)題在于減少建筑的保溫和散熱能耗。

目前，實(shí)現(xiàn)建筑保溫主要是通過(guò)改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如采用巖棉纖維、聚苯乙烯泡沫塑料等墻體材料。此外，還可以縮小目標(biāo)范圍，瞄準(zhǔn)人體織物，通過(guò)功能化織物控制人體輻射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體與織物之間的熱輻射交換，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的人體熱管理。傳統(tǒng)織物，如棉花、滌綸等，并不具備調(diào)節(jié)人體輻射的功能，因此可以通過(guò)控制織物的光學(xué)特性改變織物表面的紅外發(fā)射率以調(diào)節(jié)人體輻射，達(dá)到熱管理的目的。個(gè)人熱管理織物應(yīng)該具有與傳統(tǒng)織物相似的柔韌性、抗菌性和透氣性，除此之外，能夠減少/增加人體紅外輻射的散失，甚至提高身體的溫度。降低/升高織物表面的紅外輻射發(fā)射率，從而提高織物的紅外輻射性能以實(shí)現(xiàn)按需熱管理。實(shí)現(xiàn)建筑散熱的途徑主要有：①利用自然界低溫物體（如冰塊和深井水）或設(shè)計(jì)遮陽(yáng)、通風(fēng)等建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)合建筑地理位置，充分利用自然條件，進(jìn)行物理降溫，但由于受到地域和時(shí)域的限制，無(wú)法大范圍使用；②利用冷凝設(shè)備（如空調(diào)）將室內(nèi)熱量輸送至室外實(shí)現(xiàn)降溫，但此過(guò)程消耗大量電力資源，易加劇環(huán)境問(wèn)題。這兩種途徑的缺陷迫使研究人員探尋新的建筑散熱手段。作為對(duì)自然冷卻的強(qiáng)化與一種無(wú)需能源與資源驅(qū)動(dòng)的散熱方式，被動(dòng)輻射散熱具有無(wú)能耗、無(wú)污染、無(wú)媒介、操作便捷和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)建筑散熱行之有效的方法。建筑被動(dòng)式散熱是指在不使用機(jī)械設(shè)備的前提下，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)使建筑自身熱量通過(guò)熱輻射的形式散發(fā)到外太空，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境舒適的目的。若以被動(dòng)輻射散熱方式來(lái)對(duì)建筑降溫，將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，關(guān)于建筑被動(dòng)輻射散熱的研究較為薄弱，在很大程度上制約了綠色低碳建筑的發(fā)展。因此，選擇合適的輻射保溫或散熱方式，設(shè)計(jì)所需輻射保溫或散熱材料將成為科研工作者極度關(guān)注和亟待解決的重大問(wèn)題之一。

降低建筑能耗，減少能源浪費(fèi)迫在眉睫。利用輻射選擇性調(diào)控技術(shù)對(duì)建筑物或人體進(jìn)行輻射控溫，從而減少電力設(shè)備的使用，降低對(duì)電力和化石能源的需求，對(duì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。本文簡(jiǎn)要介紹了紅外輻射及輻射選擇性調(diào)控的原理，然后綜述了輻射選擇性調(diào)控材料在建筑熱管理（透明涂層、顏料涂層和輻射冷卻器等）和人體熱管理（輻射散熱織物、輻射保溫織物和智能輻射織物）中的應(yīng)用（見(jiàn)表1），最后從輻射調(diào)控材料的性能與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的角度展望了未來(lái)的研究方向。

表1 紅外輻射調(diào)控材料性能匯總

1 紅外輻射調(diào)控技術(shù)

1.1 紅外輻射

紅外輻射是波長(zhǎng)在5～100μm之間的長(zhǎng)波輻射，是地球熱量釋放到太空的帶寬。太陽(yáng)輻射是波長(zhǎng)小于5μm 的短波輻射，即太陽(yáng)光對(duì)地球的輻射。在地球大氣的電磁波波段8～13μm范圍內(nèi)存在著一個(gè)“大氣透明窗口”，在該波段區(qū)域內(nèi)大氣輻射非常弱，地球上所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都可以發(fā)射紅外輻射并通過(guò)該窗口將熱量直接輻射至外太空（約0K），從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射散熱，而在此波段范圍之外，大氣具有高發(fā)射率。同時(shí)，環(huán)境溫度下熱輻射峰值的波長(zhǎng)區(qū)域與大氣窗口波段重合。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量可以自發(fā)地從高溫?zé)嵩磦鬟f到低溫?zé)嵩?。因此，將地球周圍的環(huán)境作為一個(gè)高溫?zé)嵩矗馓兆鳛榈蜏責(zé)嵩?，那么地球上的物體就可以通過(guò)大氣窗口將熱量自發(fā)且源源不斷地輻射至外太空，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射散熱。與能耗較大的主動(dòng)散熱技術(shù)不同的是被動(dòng)輻射散熱技術(shù)不需要消耗額外的電力，只要物體的溫度高于外太空的溫度，熱量即可通過(guò)大氣窗口發(fā)射紅外輻射實(shí)現(xiàn)散熱。輻射散熱技術(shù)的應(yīng)用能夠節(jié)省大量的能源，減少傳統(tǒng)空調(diào)使用的制冷劑所產(chǎn)生的含氟溫室氣體，從而改善空氣質(zhì)量，有利于保護(hù)人體健康。

1.2 紅外輻射選擇性

近年來(lái)，研究者設(shè)計(jì)了一些高紅外發(fā)射率的材料。然而，僅僅依靠紅外輻射散熱也有其局限性。在夜晚，高紅外發(fā)射率即可實(shí)現(xiàn)輻射散熱，而在白天，輻射散熱的關(guān)鍵因素在于太陽(yáng)輻射，而非紅外發(fā)射。由于入射太陽(yáng)輻射和物體表面紅外發(fā)射功率的巨大差異，單一的高紅外發(fā)射率的材料通常很難抵消太陽(yáng)吸收，僅限于夜間使用。在白天，除了高紅外發(fā)射率，還應(yīng)當(dāng)要求材料具有高太陽(yáng)反射率。為了實(shí)現(xiàn)全天候的輻射冷卻，必須盡量減少太陽(yáng)吸收和最大限度地增加紅外發(fā)射。因此，研究人員設(shè)計(jì)并使用兼具高太陽(yáng)反射率和高紅外發(fā)射率的結(jié)構(gòu)，同時(shí)調(diào)控太陽(yáng)輻射和紅外輻射從而實(shí)現(xiàn)建筑降溫。

輻射選擇性是指輻射體在發(fā)射紅外熱輻射的同時(shí)防止吸收太陽(yáng)輻射的能力。輻射選擇性調(diào)控，即設(shè)計(jì)物體的光譜結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)光波區(qū)具有高反射率以阻擋太陽(yáng)輻射（300～3000nm），同時(shí)在“大氣窗口（8～13μm）”具有高發(fā)射率以使物體內(nèi)部的熱量能通過(guò)大氣窗口輻射出去，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)散熱。如果輻射體大量吸收太陽(yáng)輻射，就很容易降低輻射散熱的性能。因此，為了減少太陽(yáng)輻射的吸收，可在紅外輻射體上設(shè)計(jì)太陽(yáng)反射結(jié)構(gòu)，在不影響紅外反射率的同時(shí)增強(qiáng)太陽(yáng)反射，以減少輻射體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收。目前，實(shí)現(xiàn)輻射選擇性調(diào)控的材料主要有兩種：亞微米結(jié)構(gòu)材料和納米顆粒。亞微米結(jié)構(gòu)本身可以反射太陽(yáng)輻射，同時(shí)其在大氣窗口是透明的。納米顆粒在可見(jiàn)區(qū)域是透明的，但當(dāng)其顆粒尺寸小于光的波長(zhǎng)時(shí)可以變成散射材料。

2 輻射調(diào)控材料在建筑熱管理的應(yīng)用

大多數(shù)輻射選擇性調(diào)控材料具有高紅外輻射率。建筑物的能量負(fù)荷來(lái)源于多個(gè)方面，包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（窗戶、墻體和屋頂）吸收的太陽(yáng)熱量、居住者和照明產(chǎn)生的熱量等。當(dāng)陽(yáng)光照射到建筑物表面時(shí)，部分會(huì)被表面吸收，導(dǎo)致建筑物表面溫度的升高。因此通過(guò)改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面材料以增強(qiáng)近紅外波段的反射率，減少對(duì)太陽(yáng)熱量的吸收，有效屏蔽一部分太陽(yáng)輻射，減少建筑物表面積聚的熱量，從而降低由建筑散熱所造成的能量損耗，間接地減少大氣中二氧化碳排放，降低城市熱島效應(yīng)，提高城市居民生活的熱舒適性。

2.1 透明涂層

建筑物中有很大一部分熱量是通過(guò)窗戶進(jìn)行輻射傳遞的。普通玻璃對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射光譜都是透明的，不能阻擋室外的熱量輸入，因此制備具有高可見(jiàn)光透過(guò)率和較好的近紅外屏蔽能力的透明隔熱膜或涂層，以調(diào)節(jié)陽(yáng)光在室內(nèi)的熱量傳遞，從而適度地減少空調(diào)或供暖所帶來(lái)的能耗，是提高建筑節(jié)能效率的有效途徑。節(jié)能窗戶能充分利用陽(yáng)光輔助室內(nèi)照明，還能阻擋來(lái)自外部的紅外熱輻射，既節(jié)約了空調(diào)的耗電量，又節(jié)約了照明的耗電量。與智能窗戶相比，節(jié)能窗戶不需要外部能量供應(yīng)，顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)。

2.1.1 無(wú)機(jī)氧化物材料

透明導(dǎo)電氧化物（TCO），如氧化鋅（ZnO），具有低太陽(yáng)吸收、高可見(jiàn)輻射色散和高紅外反射等優(yōu)異的光學(xué)性能，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。不同形貌的ZnO粉末（如針狀、花狀等）可以實(shí)現(xiàn)不同的紅外發(fā)射率，然而各種形貌的調(diào)控需要復(fù)雜的制備工藝。因此為了簡(jiǎn)化工藝，研究者在透明導(dǎo)電氧化物中摻入一些金屬半導(dǎo)體元素以提高自由載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)高效的輻射散熱。例如，Sun等采用直流磁控濺射法在玻璃表面直接沉積低發(fā)射率的摻Al 的ZnO 涂層，在最優(yōu)沉積條件下，該涂層有最低發(fā)射率（41%）和高透射率（81.8%），作為窗戶透明涂層不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輻射散熱，而且能滿足透光的需求。Shen等采用雙滴定共沉淀法合成了具有近紅外屏蔽性能的Sb摻雜的SnO（ATO）涂層。使用ATO 涂層的玻璃能反射76%的近紅外輻射，比普通石英玻璃具有更優(yōu)異的太陽(yáng)屏蔽性能。將透明導(dǎo)電氧化物和高紅外反射率的貴金屬薄膜復(fù)合可以在增強(qiáng)紅外反射率的同時(shí)提高可見(jiàn)光的輻射通量。Wei 等采用簡(jiǎn)單的水熱法在石英玻璃上制備了垂直排列的ZnO 納米棒/Ag 復(fù)合膜[見(jiàn)圖1(b)]。銀的加入增強(qiáng)了反射性能，使其在中紅外區(qū)具有高反射率（90%）。Dang 等制備了高可見(jiàn)光透射率（87.1%）、高太陽(yáng)紅外反射率和低長(zhǎng)波發(fā)射率的ZnO/Ag/ZnO 薄膜，通過(guò)改變各層的厚度能夠調(diào)節(jié)透光率和紅外反射率，將其應(yīng)用于玻璃內(nèi)側(cè)涂層可比傳統(tǒng)的二氧化硅玻璃節(jié)省9.6%的能源消耗。透明導(dǎo)電氧化物基于紅外波段的高反射率或低發(fā)射率調(diào)控太陽(yáng)光以實(shí)現(xiàn)輻射散熱的效果，然而他們的可見(jiàn)光透過(guò)率并不理想，影響實(shí)際應(yīng)用，因此構(gòu)建元素?fù)诫s或電介質(zhì)/金屬/電介質(zhì)（DMD）結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)氧化物基材料既可以在紅外波段調(diào)控太陽(yáng)光，又可以提高可見(jiàn)光透射率，實(shí)現(xiàn)在節(jié)能窗上的廣泛應(yīng)用。

圖1 透明涂層材料的結(jié)構(gòu)及機(jī)理示意圖

2.1.2 聚合物基材料

與無(wú)機(jī)材料相比，有機(jī)聚合物材料更耐腐蝕且易于大規(guī)模制作，因而獲得了人們更多的關(guān)注。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一種高透光性熱塑性材料，被廣泛應(yīng)用于玻璃替代品。Dong等采用乳液聚合法通過(guò)PMMA封裝TiO來(lái)提高近紅外反射率[見(jiàn)圖1(a)]，封裝后的TiO涂層比裸TiO涂層的太陽(yáng)紅外反射率高7%～10%，其最高溫差為11.2℃。Yao等將CsWO（CWO）納米粒子分散于PMMA基體中，制備了一種具有高可見(jiàn)光透過(guò)率（＞70%）和高近紅外反射率（90%以上）的納米復(fù)合材料。聚環(huán)氧乙烯（PEO）只有C—C鍵、C—O鍵和C—H鍵，具有理想的選擇性吸收帶。Li等通過(guò)靜電紡絲工藝設(shè)計(jì)了一種聚環(huán)氧乙烷納米纖維基（PEO）薄膜，由于其光子結(jié)構(gòu)特性和無(wú)數(shù)納米纖維的相互纏繞，其在可見(jiàn)光譜區(qū)表現(xiàn)出高反射率（96.3%），在中紅外區(qū)有選擇性發(fā)射率（78%）。與非選擇性熱發(fā)射體相比，該選擇性熱發(fā)射體的降溫效果提高了3～5℃，具有出色的全天候輻射冷卻性能。此外，聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其在可見(jiàn)光波段的透明性和寬頻帶的強(qiáng)紅外發(fā)射率，是一種很有前途的廉價(jià)的選擇性輻射調(diào)控材料，其性能優(yōu)于一些復(fù)雜的納米光子結(jié)構(gòu)。Zhou等采用快速溶液鍍膜工藝在鋁（Al）基板上制備出一種平面聚二甲基硅氧烷（PDMS）/金屬熱輻射體薄膜，其平均冷卻功率為120W/m，在室內(nèi)和室外分別實(shí)現(xiàn)了溫度降低9.5℃和11.0℃。Zhao 等基于PDMS 的多孔結(jié)構(gòu)制備了一種動(dòng)態(tài)多孔雙功能硅膜[見(jiàn)圖1(c)]。多孔硅膜在機(jī)械力的作用下可以實(shí)現(xiàn)用于陽(yáng)光加熱的透明固體狀態(tài)和用于輻射冷卻的高多孔狀態(tài)之間的切換，在多孔狀態(tài)下可以反射93%的太陽(yáng)輻射，使溫度降低5℃；在透明狀態(tài)下該材料可以吸收95%的太陽(yáng)輻射，使溫度升高18℃。該動(dòng)態(tài)雙功能硅膜將太陽(yáng)能供暖與太陽(yáng)反射和輻射制冷相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)冬季供暖和夏季制冷。也有研究者將聚合物與無(wú)機(jī)貴金屬結(jié)合制備透明涂層。例如，Lin 等在常溫常壓下使用噴壺直接在玻璃基板上噴涂銀納米線/聚乙烯醇丁縮醛（AgNWs/PVB）得到一種高度透明的涂層[見(jiàn)圖1(d)]，該涂層保持了較高的可見(jiàn)光透過(guò)率（83.0%） 和增強(qiáng)的紅外反射率（69.8%），能夠有效阻隔紅外輻射。高透光性聚合物材料具有優(yōu)異的紅外輻射特性，此外，它們的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足實(shí)際生活需要，在輻射散熱領(lǐng)域顯示出極大的應(yīng)用潛力。但是，考慮到應(yīng)用需求，未來(lái)的聚合物基材料還應(yīng)該考慮涂層的抗污染性以及使用的耐久性等問(wèn)題。

2.2 輻射冷卻器

2.2.1 光子結(jié)構(gòu)

光子結(jié)構(gòu)幾乎可以反射所有的入射太陽(yáng)輻射，同時(shí)在中紅外發(fā)射顯著的熱輻射。二氧化硅在大多數(shù)太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)都是透明的，同時(shí)在8～13μm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的聲子極化激元共振響應(yīng)，這使得它能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)較強(qiáng)的熱輻射率。Zhu 等采用光刻法和蝕刻法在硅襯底上制備了一層二氧化硅光子晶體，能夠?qū)⒁r底的溫度降低13℃。在陽(yáng)光直射下的輻射冷卻可以通過(guò)設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)可以在紅外大氣透明窗口中實(shí)現(xiàn)高發(fā)射，同時(shí)反射可見(jiàn)光。例如，Yao 等提出了一種SiO/SiN多納米層雙波段選擇性輻射體[見(jiàn)圖2(a)]，可以分別滿足紫外和中紅外光譜范圍內(nèi)不同的要求，平均發(fā)射率可以達(dá)到80%，在陽(yáng)光直射的情況下，能使散熱器的溫度降低11℃。該光子結(jié)構(gòu)輻射體不僅改善了傳統(tǒng)金屬反射器在紫外波段附近的低反射性能，而且提高了中紅外波段發(fā)射率峰值的帶寬。Raman等利用高折射率的二氧化鉿（HfO）和低折射率的二氧化硅（SiO）制備出一種多層納米光子結(jié)構(gòu)輻射冷卻器[見(jiàn)圖2(b)]，平均散熱功率為40.1W/m，能夠反射97%的入射太陽(yáng)輻射，使環(huán)境溫度降低4.9℃。二氧化硅由于其聲子-極化子共振，在9mm附近有一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰。二氧化鉿也具有非零吸收，因此在大氣透明窗口范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)射。通過(guò)材料特性和干涉效應(yīng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高太陽(yáng)反射和強(qiáng)紅外發(fā)射。但是在實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用中，二氧化鉿的價(jià)格比較昂貴，可以用廉價(jià)的二氧化鈦代替。為了獲得更加優(yōu)異的機(jī)械堅(jiān)固性和更長(zhǎng)的使用壽命，Chae等采用真空沉積工藝，以AlO、SiN、SiO三種化學(xué)惰性無(wú)機(jī)材料和金屬Ag 層制備了一種具有光譜選擇性的全無(wú)機(jī)基多層輻射散熱器，其在大氣窗口（8～13μm）的平均紅外發(fā)射率高達(dá)87%，在太陽(yáng)光譜區(qū)（0.3～2.5μm）的平均吸收率低至5.2%，可將環(huán)境溫度降低8.2℃，有效地實(shí)現(xiàn)建筑的輻射冷卻。不同光子結(jié)構(gòu)的堆疊可以擴(kuò)大光譜吸收帶范圍，并且可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中每一層材料的厚度來(lái)改變輻射冷卻器的紅外輻射特性，易于加工和整體優(yōu)化。然而，多層結(jié)構(gòu)材料制備工藝相對(duì)復(fù)雜，因此制作成本相對(duì)較高，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，未來(lái)應(yīng)盡可能優(yōu)化材料的選擇，減少材料成本，促進(jìn)其生產(chǎn)工業(yè)化。

圖2 輻射冷卻器材料的結(jié)構(gòu)及機(jī)理示意圖

2.2.2 有機(jī)物基材料

利用光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輻射冷卻器往往結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，許多研究者們開(kāi)發(fā)并研究了有機(jī)物基輻射冷卻器及其輻射性能。例如，Yuan 等研究了聚甲基戊烯超材料的輻射冷卻情況。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有高太陽(yáng)反射率（96%） 和高紅外發(fā)射率（93%），其在白天的輻射冷卻功率為15～100W/m，可以將溫度降低2～14℃。基于PDMS的高紅外發(fā)射率，Kou 等以PDMS 薄膜、銀薄膜和熔融硅片制備了一種聚合物-硅鏡輻射冷卻器。在環(huán)境溫度下，該冷卻器的平均凈冷卻功率約為127W/m，能夠?qū)囟确謩e降低8.2℃（白天）和8.4℃（夜晚）。Xiang等采用反相工藝和自動(dòng)沉積相結(jié)合的方法，以三維多孔醋酸纖維素（3DPCA）為基質(zhì)，開(kāi)發(fā)了一種全天候高效輻射冷卻器。3DPCA 表現(xiàn)出高太陽(yáng)反射率（96%），最大限度地減少太陽(yáng)的熱量輸入；自沉積的SiO結(jié)構(gòu)作為紅外熱輻射器，表現(xiàn)出高紅外反射率（95%），以最大限度地提高紅外輻射輸出，二者相結(jié)合可以使環(huán)境溫度降低6.2～8.6℃。多孔結(jié)構(gòu)中的光散射空氣孔洞，不僅可以將太陽(yáng)反射率提高到超高水平，而且可以避免顏料所帶來(lái)的環(huán)境成本。金屬有機(jī)框架作為一種晶體多孔材料，具有高比表面積和結(jié)構(gòu)多樣性。Kang等采用液相自組裝的方法，以甲基硅樹(shù)脂作為膠黏劑、氧化鋅（ZnO）納米粒子作為鋅源，與2-甲基咪唑反應(yīng)制備了具有高太陽(yáng)反射率和強(qiáng)紅外發(fā)射率的多面體的ZnO@ZIF-8 聚合物涂層[見(jiàn)圖2(c)]。ZnO@ZIF-8 聚合物涂層的多面體形貌和無(wú)取向孔隙顯著增強(qiáng)了太陽(yáng)光的散射，與純氧化鋅相比，有效地提高了涂層的太陽(yáng)反射率。該聚合物涂層在大氣窗口（8～13μm）的太陽(yáng)反射率為90%，紅外發(fā)射率為95%。即使在無(wú)輻射換熱條件下，在1000W/m的太陽(yáng)強(qiáng)度時(shí)，該涂層表面的溫度也比襯底表面的溫度降低7.6℃。與聚合物透明涂層所不同的是，聚合物基輻射冷卻器不需要考慮可見(jiàn)光透過(guò)性，因此可以選擇具有高紅外反射率的聚合物材料設(shè)計(jì)輻射冷卻器，選擇性地復(fù)合貴金屬或無(wú)機(jī)氧化物以進(jìn)一步提高或增強(qiáng)紅外反射率，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的輻射散熱。

2.3 無(wú)機(jī)顏料涂層

白色涂料可以反射大部分入射太陽(yáng)輻射而讓紅外輻射通過(guò)。因此，使用白色涂料作為建筑外部涂層，在提升建筑整體顏色美感的同時(shí)能夠發(fā)揮涂料的紅外反射性能以節(jié)省能源，為建筑物降溫。二氧化鈦（TiO）和二氧化硅（SiO）具有優(yōu)良的白度和較高的太陽(yáng)反射率，是降溫涂層中應(yīng)用最廣的無(wú)機(jī)材料。Bao 等在鋁基材表面制備得到TiO+SiO涂層[見(jiàn)圖2(d)]。該涂層能反射90.7%的太陽(yáng)輻射，紅外發(fā)射率達(dá)到90.11%，可使鋁箔表面溫度降低5～8℃。Bao等采用溶劑熱法和煅燒工藝制備了一種三維空心球狀SiO@TiO涂層，多個(gè)不同功能的組分協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼。然而，白色涂料容易受到環(huán)境污染，表面黏附雜質(zhì)顆粒后會(huì)影響紅外性能。利用具有高太陽(yáng)反射率特性的著色劑代替普通顏料，可以極大地改善普通顏料的太陽(yáng)反射性能，因此研究者們開(kāi)始尋求一些具有優(yōu)異的紅外性能的顏色涂料。Meenakshi 等采用簡(jiǎn)單的水熱法制備出一種淡黃色的鈦酸鉍（BiTiO），將其均勻分散于丙烯酸樹(shù)脂中，制得高紅外反射率（95%）的BTO 涂層。該涂層可以將基板溫度降低近10℃，相比于傳統(tǒng)的白色TiO涂料，黃色BTO涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的紅外性能。LaMoO是化學(xué)穩(wěn)定的，并且不含有害的重金屬元素，是一種環(huán)境友好型無(wú)機(jī)顏料。Han等基于丙烯酰胺凝膠技術(shù)合成了一種鐵摻雜的納米LaMoO無(wú)機(jī)黃色復(fù)合物顏料，三價(jià)鐵離子替代化合物中部分六價(jià)鉬，使化合物的顏色由白色變?yōu)榱咙S色，實(shí)現(xiàn)了61%～75%的近紅外反射率，可以將室內(nèi)溫度降低4.5℃以上，紅外性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同顏色的傳統(tǒng)材料。

2.4 其他材料

在復(fù)合氧化物中摻雜離子是提高復(fù)合氧化物近紅外反射和紅外輻射性能的有效方法之一。Ran 等以鎢酸鈉和硫酸鉀為原料，采用溶劑熱還原法制備了具有優(yōu)異近紅外屏蔽和隔熱性能的Pt摻雜KWO納米棒。Ma 等采用熔融鹽合成法（MSS）在低溫常壓條件下成功合成了Fe 摻雜的斜方釔礦YMnO涂層，發(fā)現(xiàn)增加鐵離子摻雜量能夠增強(qiáng)自由載流子吸收從而提高涂料的紅外發(fā)射率，制備的涂層在大氣窗口（8～13μm）波段的最高紅外發(fā)射率達(dá)到98.7%。木材由于其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，已成為一種重要的可持續(xù)建筑材料。Li等通過(guò)完全去木質(zhì)素化、機(jī)械加壓制得一種高紅外反射率的“冷卻木材”。該冷卻木材在夜間的平均輻射冷卻功率為63W/m，平均溫度能夠降低9℃，在白天的平均輻射冷卻功率為16W/m，平均溫度能夠降低4℃。由于冷卻木材在紅外波段的發(fā)射率高，通過(guò)大氣窗口向外太空輻射的熱通量超過(guò)了吸收的太陽(yáng)輻照度，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的被動(dòng)輻射冷卻。透明木具有透光率高、光學(xué)霧度可調(diào)、隔熱性能好、沖擊能量吸收高、功能化潛力大等優(yōu)點(diǎn)，也是一種很有發(fā)展前途的建筑材料。Jia 等通過(guò)去除天然木材中的木質(zhì)素和半纖維素，然后向其內(nèi)部滲透環(huán)氧樹(shù)脂，開(kāi)發(fā)出一種具有優(yōu)良隔熱性能和光學(xué)性能的“透明木材”復(fù)合材料。脫木質(zhì)素后的木材經(jīng)過(guò)劇烈的搖動(dòng)后很容易分解為納米纖維素材料，具有豐富的孔狀結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹(shù)脂滲透到孔中，形成致密的結(jié)構(gòu)，極大地削弱了光在透明木材中的散射，從而產(chǎn)生了高透光率和超低霧度。透明木材在可見(jiàn)光譜中具有高透光率（90%），與普通玻璃相當(dāng)。透明木材優(yōu)異的光學(xué)性能、低熱導(dǎo)率和良好的機(jī)械性能使其成為一種有潛力的建筑材料，其應(yīng)用可以大大提高住宅和商業(yè)建筑的能效。

3 輻射調(diào)控材料在人體熱管理中的應(yīng)用

人體熱管理，即直接對(duì)人體加熱或冷卻，目標(biāo)范圍小，不需額外輸入能量加熱或冷卻人體所在的整個(gè)環(huán)境空間。人體熱管理的目標(biāo)是在夏季增強(qiáng)輻射耗散，在冬季抑制輻射耗散。人體熱管理分為散熱和保溫兩種形式。人體熱傳遞的途徑包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，其中，熱輻射是人體熱量散失最主要的傳遞方式，占人體總熱能傳遞的40%～60%。因此，設(shè)計(jì)織物表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人體熱管理已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。目前各種人體熱管理材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如金屬納米線涂層紡織品、可穿戴加熱器、仿生熱管理織物等。

3.1 輻射散熱織物

人體皮膚是一個(gè)很好的紅外發(fā)射體（發(fā)射率為98%），在室內(nèi)，人體正常皮膚表面溫度約為33.5℃，發(fā)出波長(zhǎng)范圍為7～14μm的中紅外熱輻射，占人體總熱量損失的50%以上。散熱織物可以將紅外輻射傳導(dǎo)到遠(yuǎn)離人體的地方，散熱織物的目標(biāo)是將人體熱輻射盡可能多的輻射出去。聚合物薄膜本身不具備普通織物的透氣性和舒適性，不宜作為可穿戴織物材料。然而將聚合物制成納米纖維材料，引入光散射粒子，不僅可以賦予它與普通織物類似的可穿戴性，同時(shí)還提高了輻射散熱能力。Xiao 等利用聚酰胺6（PA6）納米纖維和隨機(jī)分布的SiO亞微米球制備了一種具有紅外共振吸收能力輻射增強(qiáng)的PA6/SiO納米纖維膜[見(jiàn)圖3(a)]，該纖維膜相比于普通人體織物能夠?qū)⑷梭w手部皮膚降低0.4～1.7℃，并且具有良好的透氣性和熱舒適性。Peng等將聚乙烯溶解于石蠟油混合形成高黏度均質(zhì)溶液，采用工業(yè)擠出機(jī)連續(xù)擠出形成微尺度纖維之后，再用二氯甲烷萃取油相，得到納米聚乙烯纖維。與同等厚度的商用棉織物相比，納米聚乙烯織物具有巨大的散熱能力，可使人體皮膚溫度降低2.3℃，相當(dāng)于室內(nèi)降溫能耗降低20%以上。近年來(lái)，許多仿生材料被研究報(bào)道。Wu 等模擬撒哈拉銀蟻毛發(fā)的光子結(jié)構(gòu)，在PDMS上制備了柔性光子結(jié)構(gòu)，可使玻璃瓶的溫度降低5.6℃。Yang 等受北極熊毛皮啟發(fā)，利用PDMS和聚乙烯制備了一種“冷卻皮膚”，其太陽(yáng)反射率高達(dá)96%，能夠?qū)囟冉档?～6℃。Zhang等受到天牛甲蟲絨毛的啟發(fā)，研制出了一種由PDMS聚合物基體和隨機(jī)AlO陶瓷顆粒組成的光子薄膜。該薄膜能反射95%的太陽(yáng)輻射，紅外發(fā)射率達(dá)96%以上，有效冷卻功率約為90.8W/m，在陽(yáng)光直射下溫度能夠下降高達(dá)5.1℃。目前，用于人體散熱的新型織物的研究較為成熟，Zeng 等制備出一種超材料散熱織物，不僅具有優(yōu)異的散熱效果和柔性可穿戴性能，而且克服了以往聚合物透氣性差的缺點(diǎn)，具有低成本、綠色環(huán)保和可規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)的散熱方式（如空調(diào)），輻射散熱織物能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，減少電力設(shè)備的使用，節(jié)省大量的能源。

圖3 輻射散熱織物、保溫織物及智能輻射織物的結(jié)構(gòu)及機(jī)理示意圖

3.2 輻射保溫織物

保暖是人類的基本需求。實(shí)現(xiàn)人體保暖的傳統(tǒng)方法是增加織物的厚度，使其捕捉更多的空氣，以提高保溫性能。金屬納米線涂層的可穿戴織物，具有與普通織物相似的透氣性、抗菌性、舒適性，同時(shí)能夠反射人體發(fā)出的紅外輻射，從而達(dá)到保暖的效果，降低不必要的建筑能耗，節(jié)約資源。近年來(lái)已報(bào)道多種用于人體熱管理的輻射保溫可穿戴織物。碳納米管（CNT）具有極大的長(zhǎng)徑比、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力，是一種理想的柔性導(dǎo)電材料。Yue 等采用泡沫整理工藝和磁控濺射技術(shù)制備了一種多孔Ag/纖維素/碳納米管（CNT）復(fù)合納米纖維膜[見(jiàn)圖3(c)]，最大限度地減少人體的輻射熱量輸出，提供輻射增溫。同時(shí)，銀層可以作為加熱器，在低電壓下產(chǎn)生快速的熱響應(yīng)和均勻的電加熱為人體增暖。Qiu 等采用靜電紡絲法制備出一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速加熱升溫的紅外輻射加熱織物（IRHF）[見(jiàn)圖3(b)]。利用復(fù)合碳納米纖維與紅外輻射納米粒子的永久自發(fā)極化特性，該紅外輻射加熱織物在30V 的電壓下經(jīng)過(guò)1min 可以從室溫升至43℃，電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)78.99%。氣凝膠作為一種具有連續(xù)三維納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型多孔材料，具有高比表面積、孔隙率和低密度等優(yōu)良特性。具有超高孔隙率和超低密度的氣凝膠纖維是很有前途的個(gè)人熱管理材料，在減少能源浪費(fèi)方面發(fā)揮著重要作用。Wang 等利用同軸濕紡絲和冷凍干燥技術(shù)制備了具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的輻射加熱性能和隔熱性能的絲素/氧化石墨烯氣凝膠纖維（SF/GO）。其在紅外輻射照射30s 后，表面溫度提高了2.6℃，能顯著提高紅外輻射的加熱性能。人體熱管理中實(shí)現(xiàn)保溫主要有兩種策略。一是減少人體的熱損失。通過(guò)設(shè)計(jì)織物表面結(jié)構(gòu)使其將人體發(fā)出的紅外輻射反射回去，減少人體熱量的散失，但是這種織物的保暖效果不夠理想。二是在紅外輻射材料的基礎(chǔ)上添加外部條件（如電壓）對(duì)人體主動(dòng)加熱以提高皮膚溫度。這種策略提出了一種可穿戴移動(dòng)輻射保溫設(shè)備，能夠更加有效地實(shí)現(xiàn)輻射保暖，但是也存在著制備復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)該朝著可穿戴、集成化、便攜的方向發(fā)展。

3.3 智能輻射織物

除單一性能的輻射保溫和輻射散熱材料之外，一些研究者也致力于開(kāi)發(fā)兼具輻射保溫和輻射散熱性能的雙功能輻射選擇性調(diào)控材料，這種雙模式織物有助于滿足人們?cè)诓煌h(huán)境和生理?xiàng)l件下的需要，其智能輻射機(jī)理如圖3(e)所示。例如，Hsu等在厚度不對(duì)稱的納米聚乙烯層中嵌入熱輻射體（炭黑和貴金屬）制備了一種既保溫又散熱的雙模式織物[見(jiàn)圖3(d)]。該雙模織物不需要外部能量輸入，通過(guò)翻轉(zhuǎn)即可改變其輻射特性，從而改變傳熱系數(shù)，實(shí)現(xiàn)加熱和冷卻模式的切換，更好地適應(yīng)室內(nèi)外環(huán)境溫度。Janus 膜通過(guò)優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分能夠?qū)崿F(xiàn)雙側(cè)不對(duì)稱特性。Gu 等采用逐層組裝工藝和磁控濺射工藝制備了兩面具有非對(duì)稱輻射特性的可穿戴Janus MnO復(fù)合膜。在3～18μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其中一側(cè)的平均紅外反射率可達(dá)81.6%，而另一側(cè)表面粗糙的紅外反射率較低，約為39.5%。Qiu等采用磁控濺射工藝分別在織物的兩側(cè)沉積氮化鋯（ZrN）納米粒子和二氧化鈦（TiO）制備了一種具有光熱轉(zhuǎn)換（加熱模式）和太陽(yáng)熱屏蔽（冷卻模式）能力的Janus織物。該Janus織物在冷卻模式下能反射近90%的太陽(yáng)輻射，使溫度降低22℃，在加熱模式下能吸收約70%的太陽(yáng)輻射，使溫度升高22℃。Song等設(shè)計(jì)了一種由聚偏氟乙烯納米纖維/氧化鋅納米片/碳納米管/銀納米線/聚二甲基硅氧烷多層結(jié)構(gòu)組成的功能可切換的Janus薄膜。在冷卻模式下，Janus 膜的高紅外發(fā)射率（89.2%）和太陽(yáng)反射率（90.6%），可將環(huán)境溫度降低8～11℃；當(dāng)切換到加熱模式時(shí)，薄膜具有較高的紅外反射率（89.5%）和太陽(yáng)吸收率（74.1%），可將環(huán)境溫度升高4℃～12℃。智能輻射織物通過(guò)設(shè)計(jì)織物兩側(cè)不同結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率調(diào)控人體紅外輻射，通過(guò)翻轉(zhuǎn)織物即可實(shí)現(xiàn)輻射散熱或輻射保暖的雙重效果，保持人體熱舒適的同時(shí)擴(kuò)大了紅外輻射織物的控溫范圍，具有較大的應(yīng)用潛力。未來(lái)研究中還應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從柔韌性、抗菌性、循環(huán)使用性等多方面提升輻射冷卻材料的各項(xiàng)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

作為一種很有前景的控溫技術(shù)，輻射選擇性調(diào)控技術(shù)將在未來(lái)發(fā)揮更重要的作用，以減少太陽(yáng)能進(jìn)入建筑的熱量，降低建筑能耗。在全球氣候變化和快速城市化的背景下，由于能源短缺和環(huán)境惡化，輻射選擇性調(diào)控材料的發(fā)展將會(huì)更加迅速，本文認(rèn)為可以從多個(gè)方面發(fā)展紅外輻射調(diào)控材料。

（1）進(jìn)一步探索調(diào)控輻射材料紅外發(fā)射率的方法。如不同性能的材料在一定的波段范圍表現(xiàn)出不同的發(fā)射率，將多種材料整合得到效果明顯倍增的輻射材料，以提升輻射材料的輻射率。

（2）對(duì)紅外輻射材料進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。目前的一些紅外輻射選擇性調(diào)控材料在應(yīng)用上存在著一定的限制。例如，建筑物表面長(zhǎng)期暴露于外部環(huán)境中，久而久之會(huì)受到環(huán)境的影響，如雨水沖刷、顆粒物沉積等，從而對(duì)材料表面的紅外反射率產(chǎn)生負(fù)面影響。將功能不同的材料進(jìn)行整合，使建筑熱管理紅外輻射材料朝著高效、自清潔、無(wú)毒害、抗菌、美觀等方面發(fā)展。

（3）將紅外輻射材料與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。如建筑熱管理材料應(yīng)用光催化劑實(shí)現(xiàn)自身降解建筑表面的污染物?？纱┐骺椢锍藷峁芾砟芰ν猓€應(yīng)考慮其耐磨性、透氣性、排汗性、抗菌性以及著色等性質(zhì)。

（4）紅外輻射材料也可以與柔性電子設(shè)備集成，打造新一代智能紅外輻射材料，如智能輻射傳感設(shè)備、智能可穿戴織物等，實(shí)現(xiàn)熱舒適、傳感、電子控制等多種功能。