輻射制冷涂料研究進展：提升太陽光反射率的機理與實現途徑

中圖分類號：TB66 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0089-04

Abstract：Radiativecooling paintisanenvironmentall friendlyandenergy-saving technology thatachieves pasivecoling byradiatingheattotheuniverse.Duetoitssimplity，lowcost，andeaseofimplementation，ithasshowngreataplication potentialinfieldssuchasbuildingenergysavingandelectronicequipmentcolinginrecentyears.Solarreflectanceiscrucial forimprovingthecoolingeficiencyofradiativecolingpaints.Thispaperreviewstheresearchprogressofradiativecooling paints，focusingonthe mechanisms forenhancingsolarreflectanceandtheroutes toachieveit.Throughthesummaryand analysisofthreediferentimplementationapproaches-highrefractiveindexpigments，lowrefractiveindexairvoids，andhigh pigmentvolumeconcentration-andtheoutlookonthreefuturetechnologicalpathways，thisreviewaimstoprovideatheoretical foundatioandtechnicalguidanceforfurtheroptimizationofthedaytimecoolingperformanceandwideappicationofradiative cooling paints.

Keywords：radiative coling;paints； solar reflectance;refractive index；pigment volume concentration

隨著全球氣候變化和能源危機的日益嚴峻，節能減排已成為全球關注的焦點。建筑空調系統占全球總能耗的很大比例，其制冷過程往往依賴于大量的電力和冷卻劑，造成了資源浪費和環境污染。因此，開發新型低能耗、環保的制冷技術迫在眉睫。

輻射制冷技術作為一種創新的制冷方式，不依賴任何外部能源，而是利用物體表面的輻射特性將熱量直接排放至外太空，被認為是一種極具潛力的綠色冷卻技術。輻射制冷涂料作為輻射制冷技術的重要應用形式，因其易于實施和低成本的特點近年來受到了廣泛關注。增強輻射制冷涂料降溫性能的關鍵在于盡量提高涂料對太陽輻射的反射率。因此，如何通過材料設計、結構優化等途徑提高涂料的太陽光反射率成為輻射制冷涂料研究的重點。

本文將簡要地綜述輻射制冷涂料在提高太陽光反射率方面的重要研究進展，從光與物質相互作用的機理出發，總結輻射制冷涂料提高太陽光反射率的可行途徑及其優劣勢，并探討未來發展趨勢。

1輻射制冷涂料的基本機理

1.1輻射制冷技術的基本原理

輻射制冷基于黑體輻射理論，任何物體只要其溫度高于絕對零度，便會以電磁輻射的形式向外界釋放熱量。由于地球大氣層對 8～13μm 波段的電磁波吸收率極低，亦即大氣層在 8～13μm 波段具有高透明度，被稱為“大氣窗口”。地球的表面溫度大約為 300K ，宇宙的溫度大約為 2.7K ，所以地表物體可以利用這種巨大的溫差，穿透大氣窗口向外太空輻射電磁波來降低自身表面溫度。

地表露天物體向外熱輻射的同時，也會吸收太陽光輻射。因而高性能輻射制冷技術的關鍵在于選擇性調控光譜特性：既需要在 8～13μm 波段具有高的紅外發射率，以便有效地向宇宙輻射熱量；也需要在 0.3-2.5μm 太陽光波段具有高的太陽光反射率，以減少日照光熱吸收，從而降低表面溫度。

如需詳細了解輻射制冷技術的基本原理，可參考楊榮貴教授的這篇綜述。

1.2輻射制冷涂料的設計原理

材料輻射光譜除受溫度影響外主要取決于材料的本征特性。材料在中紅外波段的吸收率與材料固有的振動頻率有關。只有偶極矩發生變化的分子振動才能吸收紅外輻射，發生躍遷。涂料的成膜物質通常采用高分子樹脂，由于其材料本征特性在熱輻射中紅外波段天然具備高紅外發射率。所以對于有機涂料體系，這部分的光學特性并不需要特殊調控。

另一方面，如圖1所示，地表太陽光輻射照度在0.3-2.5μm 整個波段約為 1000W/m² 。其中紫外線部分約占 6% ，可見光部分約占 42% ，近紅外部分波段約占52% 。溫度在室溫附近的理想輻射體的理論最大輻射出射度約為 150W/m^2/2 ，與太陽輻射照度相比有接近一個數量級差距。因此，日照環境下涂層對太陽光的吸熱很容易抵消向外熱輻射降溫的能量。如輻射制冷涂料的太陽光反射率不佳，就只能在夜間或者非陽光直射情況下才能發揮制冷功效。因而設計高性能輻射制冷涂料的關鍵在于盡可能地提高涂層在 0.3～2.5μm 波段的太陽光反射率。

1.3提升涂料太陽光反射率的機理

當光照射到具有不同折射率的材料界面時，光會發生散射（偏轉）。這種導致光在界面處散射的機制有3種：反射、折射和衍射。雖然當光照射到任何顆粒時，這3種機制都會發生，但它們的相對重要性取決于顆粒的性質。對于宏觀顆粒和物體，可見光的反射和折射占主導地位，而在微納米尺度上，衍射則占主導地位。

米氏（Mie）最早利用麥克斯韋方程組研究單個球形顆粒的光散射。經米氏理論計算表明，散射強度取決于顆粒大小、被散射光的波長以及顆粒和周圍介質的折射率。為了最大化光散射，顆粒大小必須與光波長相匹配，并且折射率的差異必須盡可能大。

具體到涂料系統中，要實現高太陽光反射率，關鍵在于分散在成膜物質中的顆粒在太陽光波長范圍內能有效散射入射光。同等條件下，顆粒與周圍成膜物質及其他組分的折射率之間的差異越大，散射作用就越強烈。因為涂料中使用的所有高分子樹脂的折射率都固定在1.4～1.5附近，所以要增強差異，只能增大或減小顆粒的折射率。

除了折射率之外，半導體禁帶寬度是考慮太陽光反射率的另一個重要參數。只有帶隙大于 4.13eV 的材料，其能帶結構才無法吸收波長大于 0.3μm 的光波，從而避免了包括紫外波段在內的日照引起的光熱吸收。

2提高太陽光反射率的途徑

2.1 高折射率顏料

根據上文討論，為提升涂料的太陽光反射率，一種自然而然的思路是使用折射率顯著高于聚合物基料的顆粒。一般折射率高于17的顆粒因為有了明顯的散射效果，而被稱為顏料。事實上，已知折射率最高（ n=2.73 ））的白色顏料金紅石鈦白粉 ΔTiO₂ 早已是用作冷屋面（coolroof涂料的常用組分。鈦白粉的唯一不足是因帶隙不夠會吸收紫外和部分紫光波段的陽光。

最近，普渡大學阮修林教授團隊開發了一種基于六方相氮化硼（hBN）的涂料，實現了 97.9% 的太陽光反射率（圖2）。六方相氮化硼的高折射率（ n=2.13 帶來的米氏散射的高散射系數和類似瑞利散射的強后向散射，以及高帶隙確保不吸收陽光，是高太陽光反射率的重要原因。然而六方相氮化硼的原材料成本十分高昂，制約了其大規模應用。

2.2低折射率氣孔

空氣的折射率接近1，顯著低于涂料中的樹脂組分，在涂料中引入免費的空氣是非常具有吸引力的方案。使用折射率低于聚合物基質的空氣“顆粒”（氣泡或孔隙）不僅自身能夠散射可見光，還能通過降低漆膜的平均折射率來提高白色顏料顆粒的散射效率，這反過來又增加了顏料顆粒與介質之間的折射率差異。

Mandal等基于相轉化方法，制備了具有不同粒徑多孔氣泡的聚偏氟乙烯-六氟丙烯（P（VdF-HFP）HP）涂層，依靠氣孔的強烈散射作用得到了 96% 的高太陽光反射率（圖3）。然而，這種方法的局限之一是使用大量有機溶劑增加了環保風險。

2.3 高顏料體積濃度

引入氣孔的另一種技術路線是增加涂料配方中顏料或填料的用量，使得干涂膜的顏料體積濃度（PigmentVolumeConcentration，PVC）超過臨界顏料體積濃度（Critical Pigment VolumeConcentration，CPVC），這會導致成膜物質不足以完全包覆顏料顆粒而在涂層中形成孔隙，從而利用孔隙中的空氣和高分子成膜物質的折射率差值來散射陽光，提高太陽光反射率。在一個典型的這類技術方案中，使用PVC高達 60% 的 BaSO₄ 顆粒實現了 97.6% 的高太陽光反射率。 BaSO₄ 的折射率與樹脂相差很小，自身本來無法產生有效的折射，關鍵在于借助高PVC帶來的孔隙設計散射陽光（圖4）。

然而，這種結構也會導致以下不利影響：開放、相互連通的孔隙網絡使得液體和氣體能夠在樹脂基料中傳輸，涂膜的韌性和附著力減弱，更容易剝落、開裂或脫層，機械性能變差；由于涂膜中的孔隙使得外界物質（如濕氣、雨水、化學物）更容易侵蝕滲透，涂料的防護性能減弱，壽命縮短，耐久性下降。

3展望

筆者認為，未來進一步增強輻射制冷涂料的太陽光反射率，從而進一步提高涂料的輻射制冷性能，可以從以下3個方面進行深入探索研究， ① 新型顏料開發：發掘更多同時具備高折射率、高禁帶寬度、且成本可控的顏料用于涂料配方，例如二氧化鋯是一個較佳候選。② 封閉氣孔設計：區別于由PVC超過CPVC形成的顆粒間開放連續性氣孔來提升折射率差值的方案，可設計中空微球等特殊結構在涂膜中引入封閉、獨立的氣泡，在營造高折射率反差的同時不會因破壞涂膜的連續性而犧牲其保護作用。 ③ 多層涂膜結構：白色顏料的高折射率和寬帶隙往往是矛盾的，一種解決方案是利用光的波長越短，對涂層的穿透深度越淺的特性，設計多層涂膜結構。外層涂膜使用寬帶隙顏料，降低對紫外和短波紫色波段陽光的吸收；內層涂膜使用高折射率顏料高效散射可見和近紅外波段陽光。

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