輻射冷卻材料研究進展

任首龍，陸庭中，唐波，高穎，戴遠哲，吉利，趙勝悟

（1 常州大學石油工程學院，江蘇 常州 213000；2 悅海智聯(lián)信息技術服務(常州)有限公司,江蘇 常州 213000）

隨著世界經(jīng)濟規(guī)模的快速增長以及全球人口的迅速增加，能源的高消耗狀態(tài)持續(xù)導致著我國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的主動冷卻降溫方式會消耗大量電力及能源，加劇全球變暖趨勢，從而引起嚴重的環(huán)境與社會問題。被動輻射冷卻是一種環(huán)保的冷卻方式，并符合國家節(jié)能低碳的政策，具有較好的應用前景。因此，具有良好輻射冷卻能力的輻射冷卻材料成為當前研究熱點之一。

太陽輻射與地球表面發(fā)出輻射的相互作用關系如圖1所示，太陽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0.5μm 處。地球表面接收到太陽輻射后，溫度高于絕對零度的物體就會向外發(fā)射熱輻射，能量集中于2.5～50μm 波長范圍內，且大部分能量被大氣所吸收；而位于8～13μm波段范圍內的能量能夠不經(jīng)過大氣吸收直接進入宇宙空間，宇宙空間作為理想黑體能夠吸收所有來自地球的熱輻射。利用這一特性，輻射冷卻技術通過提高材料自身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，進而大幅度降低地球表面溫度。綜上，無需能源消耗即可進行冷卻降溫的輻射冷卻材料具有極大的研究意義。

圖1 太陽輻射與地球表面熱輻射相互關系示意[2]

本文主要總結了國內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計以及其在實際生活中的應用，綜述了近年來輻射冷卻材料領域的發(fā)展，分析了現(xiàn)階段輻射冷卻材料存在的問題，并對該領域的未來發(fā)展進行了展望。

1 夜間輻射冷卻材料

自20世紀50年代Head首次系統(tǒng)性地報道了選擇性紅外輻射冷卻技術后，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象。Eriksson 等指出氧化鋁的輻射冷卻能力與其厚度關系呈正相關，若需要達到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)涂料完全能夠達到這一水平，因此氧化鋁并未在輻射冷卻領域得以廣泛應用。與此同時，Harrison 等僅將白色TiO涂料涂覆于建筑物外層便使室內溫度降幅超過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大氣窗口波段內具有良好的紅外發(fā)射率，能夠將測試環(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的光譜吸收帶，慢慢走進人們的視野，也成為研究熱點之一。Eriksson 等通過磁控濺射技術分別制備了氮氧化硅薄膜以及氮化硅/二氧化硅雙層薄膜，測試結果表明，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16℃。然而，沒有足夠手段來繼續(xù)提高單層氮氧化硅薄膜的輻射冷卻能力，為此，Diatezua 等通過制備以氮氧化硅薄膜為基礎的多層薄膜結構來進一步提升其夜間輻射冷卻能力，測試結果表明，制備的多層薄膜結構最高能將環(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源豐富、價格低廉且制備方法較為容易，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)達到較高水平，但其最大的局限性在于只適用于夜間，應用場景單一。同時，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用。另一方面，為實現(xiàn)全天持續(xù)冷卻的目標，必須在白天達到有效的輻射冷卻，因此日間輻射冷卻材料是未來輻射冷卻領域中主要研究方向。

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在于陽光直射下大多數(shù)傳統(tǒng)熱輻射材料會吸收太陽輻射導致自身溫度的升高，從而無法進行有效的輻射散熱。而日間輻射冷卻材料可以克服以上缺點，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到一定范圍（0.9～0.95）才能通過大氣窗口波段的熱輻射來平衡其他波段對于太陽輻射的吸收，從而達到有效的輻射冷卻。綜合考量日間輻射冷卻材料自身性質及經(jīng)濟性分析，近十年來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，超材料主要在實驗室中制備，且其性質由人工結構決定。因此可以通過對其內部宏觀結構進行周期性的調整從而獲得某些特殊的電磁特性。這些特殊性質為其在輻射冷卻領域的應用奠定了重要基礎。

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構，這些圓錐形超材料柱形結構能夠在8～13μm波段范圍內形成強共振，且鍍在底部的鋁板能夠提高整體結構的反射率，該結構在環(huán)境溫度下具有高達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，該超材料也能夠將測試環(huán)境溫度降至12.2℃。進一步地，為解決上述超材料內部疊加層數(shù)過多、不易制造等問題，Zou 等制備了一種由金屬負載且摻雜硅諧振器的雙層超材料結構，該結構具有很強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。對其冷卻能力進行仿真分析，該材料可實現(xiàn)的降溫幅度為11.14℃。然而這些基于金屬負載結構的輻射冷卻器的金屬背板在使用過程中會屏蔽大量微波信號，繼而嚴重限制其在實際情況中的應用。在此基礎上，Liu 等設計了一種使用低損耗電介質來改善諧振質量的電介質諧振器，通過引入有損金屬成分的涂層制得該材料，在8～11μm的寬光譜范圍內吸收率超過0.8，預計降低測試環(huán)境溫度12℃。同時該系統(tǒng)可以在0.5mm以上的微波環(huán)境中達到較為理想的透明度，該研究為超材料應用于建筑物及汽車輻射冷卻領域奠定了重要基礎。

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。為解決此問題，Rephaeli 等提出一種緊湊型平面光子結構輻射材料，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)生互補諧振的二維光子晶體層作為熱輻射器組合為一個設備，可實現(xiàn)白天輻射冷卻所需的寬帶光譜發(fā)射性能。經(jīng)過測試，當該材料最大程度地反射太陽輻射時，在理論上能夠達到超過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 上設計并制造了三角氣隙（TAG）以及橋狀氣隙（BAG）兩種類似銀色螞蟻毛發(fā)的光子結構，其不會褪色的銀色來自于其獨特的仿生TAG/BAG結構，可以代替金屬作為反射層，這保證了該結構即使在惡劣的環(huán)境下也可長期使用。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)該結構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的紅外發(fā)射率，將該結構置于日照條件下能夠有效降溫13℃。

圖3 仿生光子結構模擬實驗的概念性演示[17]

由于過往研究中超材料輻射冷卻器顏色大多為白色或銀色，有時并不適合實際應用，研究人員逐漸開始對有色超材料進行研究，Li等通過對各類顏色光子晶體輻射熱負荷的可調范圍進行了全面的計算。結果表明，對于所有顏色，冷卻功率值都超過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866W/m，這為有色超材料的廣泛應用提供了新的方向。

綜上，超材料是近年來最有前途的功能材料之一，且一直是輻射冷卻領域中的研究熱點。當前研究中主要集中于通過精確設計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，適合作為輻射冷卻材料，但是目前大多數(shù)研究還處于實驗室階段，較難大規(guī)模制造的原因在于超材料需要實驗室精密儀器在納米精度范圍內制備，且過程較為復雜，造價昂貴的同時較難應用于形狀各異的基材上，可擴展性較差。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雜度，但是這對于能夠大規(guī)模制造還是遠遠不夠的。所以未來的研究重點在于如何簡化超材料的制作工序以及如何利用傳統(tǒng)設備改變制備過程中的條件，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

聚合物材料結構簡單、經(jīng)濟性好、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域獲得了越來越多的關注。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，成功制備出結構簡單的聚合物材料，性能測試表明，在26℃的環(huán)境溫度下，該材料的凈冷卻功率密度為127W/m，在陽光直射下低于環(huán)境溫度8.7℃。在此基礎上，Zhou等利用更為簡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)境條件下進行測試，實驗室環(huán)境內溫度降幅為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，該結構具有較低的太陽吸收率以及寬光譜范圍內紅外發(fā)射率。對其進行室外測試后結果表明，該冷卻器在太陽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化方法制備出的內部具有不規(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度為890W/m的環(huán)境下溫度降幅約為6℃。在此基礎上，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)過測試，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程[25]

另一方面，聚合物輻射冷卻材料的可擴展性在實際應用中也十分重要，研究者們在這一方向上進行了深入的研究。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波段范圍內的選擇性發(fā)射率達到0.78，在0.3～2.5μm波段范圍內反射率高達0.963，該納米纖維在日光照射下的溫度降幅為5℃。在此基礎上，Chen 等設計了一種彩色可大規(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。測試結果表明，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幾，但是其8～13μm波段范圍內的紅外發(fā)射率（0.89）則比商用單層涂料（0.3）高得多。在日照強度為1025W/m的環(huán)境下，該輻射冷卻材料能夠將測試環(huán)境溫度降低15.6℃。

上述工作幾乎都是在干旱環(huán)境中進行測試的，理論表明，大氣濕度將會嚴重降低輻射冷卻器對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 波段范圍內的透射率會急劇下降。因此，材料的冷卻性能將會大幅降低。為解決這一問題，Wang 等制備了具有微孔陣列與隨機納米孔相結合的超疏水多層聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，該種薄膜在日照強度為900W/m的環(huán)境中降溫幅度達6～8.9℃，超疏水化處理后的PMMA 薄膜能夠降低水分對于材料性能的影響，在潮濕的環(huán)境中，降溫幅度也能夠達到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域中展示出巨大的潛力，但當前研究中還存在如下不足之處。

（1）目前無需結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，所以未來要從材料本身入手，通過調整多孔材料的制備工藝、內部結構以及摻雜微球種類來進一步提升聚合物的反射率。

（2）有關聚合物材料在高溫高濕環(huán)境中輻射冷卻特性及內部作用機理的研究較少，這樣會對輻射冷卻材料在高溫高濕地區(qū)的應用造成阻礙，未來可以借鑒已有研究中的經(jīng)驗，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的高發(fā)射率。

（3）聚合物材料本身存在的最大問題在于大多數(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際應用的決定因素。

2.3 多層薄膜結構材料

已有研究表明，通過堆疊不同類型電介質層可以擴大該結構的光譜吸收帶范圍，并獲得更為優(yōu)異的發(fā)射光譜可調性。因此研究人員可以通過改變結構中每一層的厚度與材料來改變該結構的輻射特性，多層薄膜結構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，設計了由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。將該材料放置于陽光直射下，能夠將環(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。檢測結果表明，此材料在太陽光譜中具有近0.95的高反射率，在大氣透明窗口中擁有超過0.85的高發(fā)射率。仿真結果表明，該材料在陽光直射下可降低20℃左右。由于AlO在10μm 波長處擁有高吸收率，但是并不適合單獨作為輻射冷卻材料，所以Kecebas 等在已有研究的基礎上向上述系統(tǒng)中添加AlO層以改善系統(tǒng)的輻射冷卻性能，通過調整系統(tǒng)中各個氧化物層的厚度使系統(tǒng)的冷卻功率提高30～35W/m。更進一步地，Zhu 等提出向上述多層薄膜結構材料中插入MgF和TiO層能夠改變該結構的折射率分布，進而利用這兩種材料的干涉效應來提高材料的反射率，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構，制備過程較為復雜。Chae等報道了一種僅具有三個紅外發(fā)射層的日間輻射冷卻材料，通過一維矩陣配方以及PSO方法對其優(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8.2℃，如圖5。此外還有研究者利用其他理論計算方法對多層薄膜輻射冷卻器進行系統(tǒng)優(yōu)化，F(xiàn)an 等指出對于多層薄膜結構，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自下層涂層的熱輻射；如果使用無發(fā)射光譜重疊的材料，則可以進一步提高冷卻能力。基于此理論，Cunha等通過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，該結構可以在6.9～40μm 的紅外區(qū)域內強烈發(fā)射。在20℃的環(huán)境溫度下，設計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]

以上設計中僅基于設計人員的專業(yè)知識來優(yōu)化薄膜種類及厚度，但忽略了太陽輻照度和大氣透射率的波動，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對日間輻射冷卻器進行進一步的優(yōu)化。結果表明，與傳統(tǒng)的輻射冷卻材料相比，通過此混合優(yōu)化策略能夠使材料的發(fā)射光譜隨太陽輻照度和大氣透射率的波動進行自適應調整，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為其易于加工、易進行整體優(yōu)化等特點在輻射冷卻的實際應用領域擁有更大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ陨涎芯勘砻鳎鄬颖∧げ牧陷椛淅鋮s性能的提升主要集中于優(yōu)化其中組分的種類和厚度來突破材料本身固有的光譜范圍內吸收波段的限制，進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。

（1）多層薄膜輻射冷卻材料在制備過程中需要進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用的阻礙，今后的研究中還應借鑒聚合物材料研究中簡化制備過程的經(jīng)驗，繼續(xù)探究利用簡易設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際應用中，同時其耐用性不得而知，未來應從薄膜結構入手，利用薄膜層間優(yōu)化提高材料的發(fā)射率來擺脫對于金屬基板的依賴。

（3）當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），可能會影響其在實際情況中的應用，雖已有研究者提出利用金屬-絕緣體-金屬（MIM）薄膜諧振器來控制薄膜的顏色，但是研究只停留在初期，并不深入，未來還有待進一步探討。

表1總結了超材料、聚合物以及多層薄膜輻射冷卻材料的各項性能。由表1可見，超材料擁有相對更高的反射率與紅外發(fā)射率，具有較好的輻射冷卻性能，但是由于其制備過程復雜，所以目前還處于實驗室研究階段；多層薄膜材料與聚合物材料的各項性能較為平均，成本較低的特點使得其應用于實際的概率較高。另外，應考慮將聚合物薄膜以及超材料與多層薄膜材料進行合理結合，集中各類別材料的優(yōu)勢，進一步提升復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 實際應用

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，所以將輻射冷卻材料與衣物紡織品相結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纖維與碳納米管包覆的三乙酸纖維素纖維絲復合而成的紡織物，該紡織物材料能夠根據(jù)環(huán)境溫度與濕度來調整自身的發(fā)射率，從而促進人體輻射冷卻。但是，該設計只是概念上的突破，并未展示如何使人體有效降溫，同時該設計并未考慮熱量從人體傳遞到紡織品的熱傳導過程。為解決此問題，Wei 等將熱導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，并設計一系列降溫性能試驗，結果表明其能夠將模擬皮膚的溫度降低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域具有較為良好的前景。但是由于其表面帶有較高負電性，與人體皮膚的電性相反，因此在日常穿著中會發(fā)生強烈的接觸帶電，導致人體不適。Peng等指出將納米多孔聚乙烯超細纖維作為基礎材料制備機織織物能夠解決此問題，同時該紡織物能夠實現(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測試物體溫度降低了2.3℃，相當于節(jié)約了20%的能源。在此基礎上，Cai 等將納米氧化鋅顆粒嵌入納米多孔聚乙烯材料中來開發(fā)用于室外環(huán)境中人體輻射冷卻的納米復合織物。該材料具有超過0.9 的太陽輻射反射率和人體熱輻射透過率，測試結果表明，該納米復合織物能夠有效將人體溫度上升幅度控制在10℃以內，相當于超過200W/m的冷卻功率。

圖6 以納米多孔聚乙烯超細纖維為原材料制備輻射冷卻紡織物[46]

綜上，目前用于增強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程較為復雜成為其實際應用的阻礙。未來還應繼續(xù)研究利用簡單原材料代替已有研究中的復雜原材料來獲得較為優(yōu)異的輻射冷卻效果。同時，由于聚合物材料耐磨性以及透氣性較差，未來研究中有必要從這兩方面入手進一步提升輻射冷卻材料的各項性能。此外，在未來研究中還應該從汗液浸漬損耗、摩擦損耗、紫外線照射損耗等方面對新型紡織物材料輻射冷卻能力的影響進行深入的研究。

3.2 太陽電池輻射冷卻

由于太陽電池接收的太陽輻射并不能完全轉換成電能，因此有一部分會轉換成熱能從而加熱電池板，研究表明，硅基太陽電池溫度每上升1℃，效率就會下降0.45%；溫度每上升10℃，老化速率會翻倍。同時，輻射冷卻材料在進行冷卻工作時無需其他能源消耗，所以利用輻射冷卻來降低太陽電池運行溫度并延長其壽命是可行的。

Zhu 等首先提出一種沉積于硅基太陽電池片上的二氧化硅金字塔形光子陣列結構，通過仿真分析，能夠將太陽電池的工作溫度降低18.3K。在此基礎上，Long等利用等離子體化學氣相沉積法設計并制備了一款微型SiO光柵作為太陽電池的透明及輻射冷卻涂層，分別對涂覆與未涂覆該涂層的太陽電池板進行室外冷卻測試，結果表明，該SiO微光柵涂層能夠使太陽電池板下降2℃。與此同時，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，甚至能夠提高太陽電池板對于日光的吸收率，通過將SiO光子晶體放置于太陽電池板的頂部能夠將基板溫度大大降低（降幅超過13℃），該研究為輻射冷卻材料在太陽電池領域的應用提供了新方向。

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，涂層較厚會影響其對太陽輻射的吸收率。為解決此問題，Kumar 等通過實驗證實僅SiO、SiN、TiO三層薄膜材料便能夠將太陽電池溫度降低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，能夠將太陽模塊的效率提升1%，具有很高實用價值。在此基礎上，Kumar 等還對上述材料實際應用性能進行實驗與仿真模擬分析，結果表明，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電池組件在經(jīng)過25年的室外運行后效率并不衰減，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℃；當環(huán)境溫度為45℃，風速為1m/s時，溫度降幅高達6.8℃。

圖7 輻射冷卻材料對太陽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需其他能源消耗的情況下有效降低太陽電池的工作溫度。但是該材料目前還處于實驗階段，阻礙其實際應用的原因在于：①當前研究中并未考慮所選材料的熱導率，熱導率較低將會在實際情況中降低太陽電池的散熱效率；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，較長的投資回報期阻礙了該材料的實際應用。所以未來應從這兩點出發(fā)，對提升太陽電池所用輻射冷卻材料的熱導率以及進一步降低其成本進行廣泛的研究。

3.3 建筑冷卻

據(jù)統(tǒng)計，在我國建筑物消耗的能源占總能源的30%以上，且全球變暖的趨勢將會進一步抬升環(huán)境溫度，為解決此問題，開發(fā)建筑物被動輻射冷卻材料具有十分重要的意義，且會對我國節(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，近年來也逐漸成為研究熱點。

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，對其進行建模并進行模擬分析，結果表明，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)，建筑物室內外溫差相差5℃左右。然而，建筑輻射冷卻材料需要經(jīng)濟性好、便于施工、耐候性強以及可擴展性好等特點。目前看來，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等提出了一種結構簡單的白色TiO輻射冷卻涂料，但并未對其性能進行檢測。進一步地，Romeo 等將由高發(fā)射率（0.88）上層乳液涂層與高反射率（0.859）底漆復合而成的雙層涂料涂覆于建筑物屋頂并檢測其冷卻效果，結果表明，該涂層能夠將建筑物工作溫度平均降低2.3℃，展示出極大應用潛力。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，測試結果表明，在周圍溫度約為28℃的環(huán)境中，屋內天花板表面溫度平均降低6.8℃，室內空氣溫度降低2.3℃。

綜上所述，受制于價格、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展性好的涂料方向，但是涂料中的無機填料粉末可能會成為致癌物，當前研究中對于所制涂料的環(huán)保性研究較少，同時目前制備的涂料大多為白色，會在一定程度上造成光污染。未來應對環(huán)保有色建筑冷卻涂料進行廣泛研究，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，還應從建筑結構材料方向入手，挖掘具有良好輻射冷卻特性與機械強度的結構材料的潛力，為提升我國建筑能源利用效率提供一條新路徑。

3.4 輔助冷卻結構

雖然前人對輻射冷卻技術已進行了大量研究，但是該技術目前仍不成熟，也并無有關商用設備投放市場。主要原因在于與其他主動冷卻技術相比，輻射冷卻的冷卻功率密度相對較低，同時也會受到天氣與環(huán)境的影響，因此有研究者將輻射冷卻技術作為輔助冷卻結構與其他技術手段相結合來實現(xiàn)更為優(yōu)異的冷卻效果。

輻射冷卻技術能夠與其他冷卻技術結合來進一步提升系統(tǒng)的冷卻能力。Voorthuysen等將輻射冷卻結構與光熱（CSP）發(fā)電廠干式冷卻系統(tǒng)結合來降低傳統(tǒng)干式冷卻法對發(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行輔助冷卻，夜間產(chǎn)生的冷氣被存儲在蓄冷裝置中供日間繼續(xù)使用。但是該設計僅進行初步評估，并未強調輻射冷卻在復合冷卻系統(tǒng)中的應用潛力。在此基礎上，Zeyghami 等通過計算CSP電廠冷卻系統(tǒng)功率循環(huán)的補充冷卻負荷與冷卻系統(tǒng)傳熱模型的輻射冷卻熱通量，提出了復合冷卻系統(tǒng)中所需的輻射冷卻結構的面積。模擬計算結果表明，在理想工作條件下，輻射冷卻結構能夠提供135W/m的補充冷卻功率。另一方面，Zhao等設計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構能夠全天不間斷制冷。根據(jù)不同的運行模式，輻射冷卻結構產(chǎn)生的冷卻能量既可以用于降低熱電冷卻系統(tǒng)高溫側的溫度，也可以儲存于蓄冷罐中供未來使用。測試結果表明，日間與夜間環(huán)境條件下輻射冷卻結構的制冷量分別占復合冷卻系統(tǒng)的55%與45%。該結果也證明了輻射冷卻/熱電冷卻復合系統(tǒng)在實際中應用的可行性。

此外，輻射冷卻技術還能夠與其他非冷卻技術相結合來實現(xiàn)多功能能源結構。Matsuta 等首先提出夜間輻射冷卻與日間太陽能集熱結合使用。他們將聚二氟乙烯薄膜涂覆于黑色銅板上，所制成的復合表面能夠在白天充當太陽能集熱器，在夜晚作為輻射冷卻器使用。但該設計僅提出構想，并未進行長期實驗與輻射冷卻性能測試。在此基礎上，Hu 等將鈦基太陽能選擇性吸收劑與聚對苯二甲酸（PET）相結合，制備的復合材料在太陽輻射和大氣窗口波長中具有高光譜吸收率（發(fā)射率），測試結果表明，與傳統(tǒng)平板式太陽能集熱器相比，該系統(tǒng)的加熱效率為86.4%，同時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。然而上述復合材料表面在太陽輻射收集期間會在大氣窗口波段范圍內向外發(fā)射能量，從而削弱系統(tǒng)集熱能力。為解決此問題，Vall 等提出利用自適應覆蓋層將太陽能集熱與輻射冷卻技術相結合，制造出輻射收集/發(fā)射（RCE）裝置。該覆蓋層能夠在太陽能集熱模式中提供太陽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RCE裝置進行晝夜集熱/冷卻性能測試，結果表明，復合系統(tǒng)在日間的加熱功率峰值達583W/m，夜間冷卻功率峰值為33W/m，該研究為太陽能集熱/輻射冷卻復合系統(tǒng)的實際應用提供了新思路。

如上所述，對于輻射冷卻/其他冷卻技術復合系統(tǒng)，輻射冷卻材料的簡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，當環(huán)境溫度下降到一定程度時，無法自動停止冷卻從而造成過度冷卻是該系統(tǒng)面臨的問題，已有研究人員提出在現(xiàn)有輻射冷卻材料中結合相變材料來實現(xiàn)自適應輻射冷卻，但是研究并不深入，未來還要從這一方向上進行深入研究。

對于輻射冷卻/太陽能集熱復合系統(tǒng)，雖然當前文獻報道中的復合系統(tǒng)兼具太陽能集熱與輻射冷卻能力，但是大多只停留于小規(guī)模實驗階段，同時其集熱效率與輻射冷卻功率并不理想。如何降低系統(tǒng)中輻射冷卻結構對集熱能力的影響是當前的技術難題。此外，在實際應用中，太陽能集熱板需要傾斜一定角度以吸收太陽輻射，但是當前有關不同傾斜角度對于材料輻射冷卻能力影響的研究較少。未來還應從實際出發(fā)，結合環(huán)境特點，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 結語

輻射冷卻材料近年來一直是功能材料領域中的研究熱點。其中，由人為控制晶格結構的超材料能夠在有效反射太陽輻射的同時擁有較高發(fā)射率，但是其需要在納米精度范圍內嚴格精確地制造，較難擴大生產(chǎn)規(guī)模；結構簡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，成為其實際應用的最大障礙；多層薄膜結構材料易于加工且易于整體優(yōu)化的特性使其成為最具實際應用潛力的輻射冷卻材料，但是真空沉積制備過程以及對于金屬基板的依賴卻阻礙了其大規(guī)模的實際應用。

綜上，各類輻射冷卻材料都擁有各自的局限性，對其進行合理結合，集中各類別材料的優(yōu)勢，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主要發(fā)展方向，另外還需從以下方面進行深入研究。

（1）目前大多數(shù)研究還處于各類輻射冷卻材料的實驗室制備上，并未對長時間實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行完整評估，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?shù)仫L速與放置傾斜角等外界條件都會對材料的輻射冷卻能力產(chǎn)生影響，但是目前對這些影響因素還鮮有探討。

（3）輻射冷卻材料與相變材料復合而成的自適應輻射冷卻材料能夠根據(jù)外界溫度變化來改變自身輻射冷卻特性，但如何提升二者的相容性有待進一步探索。

（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制領域被廣泛研究，同時其還具有高熱導率以及高紅外發(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，有利于復合系統(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。