辐射制冷材料的原理及其应用研究

辐射制冷材料的原理及其应用研究

Research on the Principles and Applications of Radiative Cooling Materials

许建明，谭振华

（北新嘉宝莉涂料集团股份有限公司，广东省环境友好涂料重点实验室，广东江门529085）

摘要：【目的/意义】面对全球能源能耗持续增长的问题，辐射制冷材料作为一种零能耗、环境友好的被动式冷却技术，提供了一种可行的解决方案。

【分析/评论/进展】系统阐述了辐射制冷技术的原理、材料体系及性能特点，阐明了辐射制冷材料需具备太阳光高反射率（≥92%）与大气窗口高发射率（≥92%）的特性，并重点分析了辐射制冷的3种材料体系——聚合物基材料、无机材料及复合杂化体系的性能特点。同时，深入探讨了其在建筑领域（屋顶、外墙、玻璃）、能源领域（太阳能电池、储能、露水收集）、电子设备、交通领域、纺织品领域及农业等领域的实际应用。

【结论/展望】辐射制冷材料在节能减排方面具有显著优势，未来有望应用在更多领域，为碳中和目标提供重要支撑。

关键词：辐射制冷材料；制冷原理；材料体系；性能特点；应用领域

全球能源消耗持续增长与气候变暖问题日益突出，传统空调系统的高能耗特性使其难以满足可持续发展的要求。据统计，建筑制冷能耗约占全球总能耗的15%，在炎热地区甚至高达40%。辐射制冷技术作为一种被动式降温方法，通过“大气窗口”（8~13.5 μm波段）将热量直接辐射至低温宇宙空间，无需额外能源输入即可实现降温效果，具有零能耗、无污染、维护简单等显著优势。

辐射制冷材料是辐射制冷技术的重要载体，其核心在于材料的光谱选择性。理想的辐射制冷材料应在太阳辐射波段（0.25~2.5 μm）具有高反射率，同时在“大气窗口”波段具有高的长波红外发射率。与传统制冷技术相比，辐射制冷材料无需压缩机、制冷剂和外部能源，可显著降低建筑制冷能耗，减少碳足迹。根据国际能源署预测，全球20%建筑表面积应用辐射制冷涂层，每年可减少约1.2亿t CO₂排放。

本文系统阐述了辐射制冷技术的原理、材料体系及性能特点，重点分析了聚合物基材料、无机材料及复合杂化体系的辐射制冷性能。同时，深入探讨了其在建筑、能源、电子设备、交通、纺织品及农业等领域的实际应用。

1 辐射制冷的基本原理

1. 1 热辐射基础理论

热辐射是物体因自身温度而持续发射电磁波的现象，其本质是物质内部带电粒子能态变化产生的电磁辐射。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体的辐射功率与它的发射率、表面积以及热力学温度的四次方成正比。温度对辐射功率的影响非常显著，温度稍有升高，辐射功率就会大幅增加。

1. 2 大气窗口与辐射制冷

地球大气层对不同波长辐射的透过率差异显著，在8~13.5 μm和3~5 μm波段存在“大气窗口”，其中8~13.5 μm波段与常温物体（约300 K）的热辐射峰值波长（约10 μm）相匹配。通过这一窗口，地面物体可与低温宇宙空间（约4 K）或高层大气（约220 K）直接进行辐射换热。

理论计算表明，黑体在地面通过8~13.5 μm窗口与宇宙空间换热的辐射功率约为160 W/m²；与220 K高层大气换热的辐射功率约为113 W/㎡。实际应用中，通过设计选择性辐射表面，可显著提高制冷效率。理想选择性辐射体在8~13.5 μm大气窗口波段具有完美发射率（ε=1），同时在其余波段实现全反射，理论上可使表面温度较环境温度低30 ℃以上。因此，为了增强日间辐射制冷能力，需要精确控制辐射制冷材料的光学性质，以确保在整个太阳光谱0.3~2.5 μm 范围内接近高反射率，以及在8~13 μm中红外区域具有高红外发射率。

2 辐射制冷材料体系

2. 1 聚合物基材料

聚合物因其丰富的C—C、C—H、C—O等化学键振动，在中红外波段具有本征高发射率。常用聚合物包括：聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

PVDF-HFP具有C—F键，具有中红外发射率高的特性，Mandal等通过相转化法制备分级多孔PVDFHFP薄膜，实现96%太阳反射率、97%红外发射率，并实现白天降温6 ℃。PTFE因具有优异的紫外稳定性和化学惰性，适合户外长期使用，Xu等利用二元溶剂对纳米颗粒的差异化调控作用，成功组装PTFE纳米颗粒，开发出具有优异耐久性、透气性和天气适应性的多孔PTFE涂层。该涂层通过精确调控的PTFE纳米颗粒组装形成理想多孔结构，展现出94%的太阳光反射率和93%的发射率。PMMA因其透光性可调，适用于智能窗户。Wang等制备了一种具有多级结构的PMMA薄膜，该薄膜结合了微孔阵列与随机分布的纳米孔，可实现高效的昼夜被动辐射制冷。这种多级多孔PMMA薄膜展现出极高的太阳光反射率（95%）和优异的长波红外发射率（98%），且力学强度优于纯聚合物。

2. 2 无机材料

无机材料（如BaSO₄、TiO₂、Al₂O₃等）具有高电子带隙带来的低太阳光吸收率，8~13 μm处的声子共振频率赋予其高大气窗口发射率。Ruan的团队开发的BaSO₄纳米薄膜具有97.6%的太阳光反射率和96%的大气窗口发射率。实地测试显示，该薄膜能保持低于环境温度4.5 ℃以上。Yoon等通过开发新型制备工艺，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中实现了Al₂O₃颗粒的高密度分散（体积占比达36.2%），制备的薄膜太阳光反射率超过94%，户外实测显示，在凉爽天气条件下，薄膜表面温度较传统白色表面低6.3 ℃，达到约3.5 ℃的制冷效果。Li 等开发的Al₂O₃/TiO₂/PES 三层结构，通过顶层Al₂O₃反射紫外线，中层TiO₂吸收残余紫外线，底层高折射率聚醚砜PES 的分层功能化设计，实现太阳光反射率超过97%，中红外发射率达92%，并在280 d UV老化后性能几乎无衰减，具有长效耐候性。Jeong等采用具有高红外发射特性的低成本金属氧化物TiO₂，构建了TiO₂-SiO₂ 交替多层光子结构冷却器，其太阳光反射率达94%，并在香港亚热带气候条件下（相对湿度60%~70%）开展实地测试，采用遮阳辅助时实现7.2 ℃温降。Li 等开发的成本低、环境友好型CaCO₃基涂料，具有95.5%太阳反射率和94%红外发射率。Atiganyanun 等开发了基于SiO₂ 微球的随机介质，通过随机介质最大限度提高太阳光谱中的光散射，增强了大气窗口波段的热发射，实现了在相同条件下，其白天降温效果相比市售的太阳能反射白色涂料，温差可达7 ℃，降温效果显著。Chae等采用Al₂O₃/Si₃N₄/SiO₂无机材料多层结构，通过粒子群优化算法（基于进化算法）精确调控各层厚度与堆叠顺序，制备了一种具有选择性辐射特性的日间辐射制冷器，其太阳光反射率为94.8%，而且日间辐射制冷实验中，相较环境温度最大降温达8.2 ℃。

2. 3 复合杂化体系材料

采用复合与杂化体系可结合各组分的优势。（1）聚合物-无机杂化体系。Park等开发了一种高效易用且便于制备的辐射制冷材料，由PVDF-HFP和Al₂O₃复合而成，该辐射制冷器（PARC）具有97.5%太阳反射率和94.8%红外发射率，可实现日间温度比环境温度低10.1 ℃。（2）功能增强型复合材料。Xue等在辐射制冷涂层中引入（SrAl₂O₄：Eu²⁺，Dy³⁺，Yb³⁺）荧光转化材料，通过光子下转换机制将紫外光转化为可见光，显著降低了材料对紫外波段的吸收率。实验表明该设计可以提高太阳光反射率，实现日间6 ℃的降温效果。（3）结构优化型复合材料。Yao等采用静电纺丝技术制备核壳结构掺杂钛酸钾/聚环氧乙烷（K₂Ti₆O₁₃/PEO）涂膜，通过滚筒式连续纺丝将钛酸钾纳米纤维（核）与聚乙烯氧化物（壳）复合，形成多孔网状结构，涂膜不仅具有高太阳光反射率（94%），力学强度也得到了增强（模量提升7倍）。

3 辐射制冷材料的性能特

（1）辐射制冷性能。辐射制冷材料的核心性能是其辐射制冷能力，通常用制冷功率来衡量。优秀的辐射制冷材料在白天太阳辐射下，日间能够实现96~114 W/m²的制冷功率，能够显著降低物体表面温度，在炎热夏季可使物体表面温度降低5~10 ℃。

（2）光学性能。在太阳辐射波段（0.3~2.5 μm），辐射制冷材料需要具有高太阳光反射率（≥92%），以减少太阳辐射热量的吸收。在红外辐射波段（8~13 μm），应具有高发射率（≥92%），保证热量能够高效地辐射到外太空。这种特殊的光学性能组合是实现辐射制冷的关键。

（3）力学性能。力学性能对于涂层实际应用至关重要，良好的附着力确保其在长期使用过程中不脱落；硬度则决定了涂层抵抗外界摩擦的能力。一般来说，按照GB/T 9286—2021测试，辐射制冷涂层的附着力应达到1~2级，硬度达到H以上，以满足不同应用场景的需求。

（4）耐候性。辐射制冷材料通常应用于户外环境，需要具备良好的耐候性。在长期的紫外线照射、温度变化和湿度作用下，涂层应保持其辐射制冷性能、光学性能和力学性能的稳定。通过添加抗紫外线剂、抗氧化剂等助剂，以及选择耐候性好的成膜物质和填料，可以有效提高辐射制冷涂层的耐候性。

4 辐射制冷材料的应用

4. 1 在建筑领域的应用

4.1.1  屋顶降温

建筑屋顶是接收太阳辐射最多的部位，将辐射制冷材料应用于屋顶，可以有效降低屋顶表面温度，减少室内热量传入。Raman等通过热光子技术，采用7层HfO₂和SiO₂，制备了HfO₂/SiO₂复合结构的光子材料，具有97%的太阳光反射率和选择性增强大气窗口波段的热辐射的特点。当屋顶阳光辐照度超过850 W/m²时，该光子辐射制冷器可实现比环境温度低4.9 ℃的制冷效果，并在环境温度下产生40.1 W/m²的制冷功率。

4.1.2  建筑外墙节能

辐射制冷材料用于建筑外墙，不仅可以降低外墙表面温度，还能改善建筑的整体热工性能。通过减少外墙向室内的传热，提高室内舒适度，同时降低建筑能耗。在一些既有建筑改造项目中，采用辐射制冷涂料对外墙进行涂装，取得了良好的节能效果，提升了建筑的能源效率。Fei等研发出一种改良的水泥基冷却涂层，其通过水泥水化反应形成致密的C-S-H凝胶结构，使其具备高达95%的大气窗口发射率，实地测试（新加坡热带气候）显示，该涂层的降温效果比市售白色涂料高出近10倍。

4.1.3  玻璃窗户

透明辐射制冷材料可用于玻璃窗户，在保持可见光透射的同时反射紫外线和近红外光。智能窗可在高温时自动增强红外发射，低温时减少热损失，实现全年节能。例如，Huang等开发了一种聚合物基微光子多功能超构材料（PMMM），其将光线散射、自清洁和辐射制冷等多项功能整合于一体。相较于玻璃屋顶，该材料拥有高达98%的中红外发射率，在湿度较高的卡尔斯鲁厄地区实测表明，该材料表面温度比环境温度低约6 ℃。

4. 2 在能源领域的应用

4.2.1  太阳能电池

太阳能电池板的发电效率受温度影响较大，温度升高会导致电池板发电效率降低。辐射制冷材料可用于太阳能电池板表面，降低电池板温度，提高发电效率。Gong等研究发现，在太阳能电池板表面涂刷辐射制冷涂料后，赋予涂层高反射率，使电池板系统的总输出功率增加32%，并减少了14%的有效太阳能吸收，提高了辐射制冷性能。

地质聚合物是以磷酸或碱激活铝硅酸盐前驱体形成的三维无机聚合物网络（—Si—O—Al—O—P—O—），具有高力学强度和优异的辐射制冷性。Chen等研制出一种基于磷酸盐地质聚合物的全无机涂料（PGEO），红外发射率>95%，展现出优异的辐射制冷性能。通过喷涂、刷涂、浸涂或辊涂等工艺施用于太阳能光伏板等多种基材表面，测试表明涂层在阳光直射下可实现表面温度比环境温度最高降8.3 ℃。

4.2.2  储能设施

利用辐射制冷涂层与热电模块组合，可提高储能设施的性能。例如，为了在夜间发电，Raman等在面向天空的冷侧热电模块中引入了辐射制冷技术，该模块向太空散热，同时用周围空气加热其暖侧。这种带有制冷器的热电发电机产生的发电功率，足以驱动一个发光二极管。Zhao等通过优化几何结构和工作条件，提高了辐射制冷驱动热电发电机的性能，功率密度达到291 mW/m²。

4.2.3  露水收集

露水收集，特别是在干旱地区，与其他集水技术相比，更具成本效益，且受地理限制的影响较小。在20世纪60年代研究辐射制冷露凝器之后，许多利用辐射制冷的集水技术得到了发展。当基板温度低于夜间露点温度时，高湿度会导致露水在基板表面聚集。夜间收集露水的关键在于冷凝面，可以通过被动辐射制冷方法实现，该方法将热量传递到外太空。Kim等介绍了结合金属有机框架（MOF）的空气冷却吸附剂水收集装置，该装置比传统吸附剂能捕获更多的水。该装置夜间通过辐射制冷降温，提升有效相对湿度5%~7%，吸附大气水分；日间太阳能加热脱附，冷凝收集淡水。研究预测，该装置在单个日循环中每kg MOF材料可收集超过0.25 L水。

4. 3 在电子设备领域的应用

4.3.1  电子器件冷却

辐射制冷涂料可以涂覆在器件设备外壳表面，如冷却面板、电脑机箱等，通过辐射散热降低设备表面温度，改善设备的散热性能。Li等通过简易喷涂工艺制备出仿生辐射制冷涂层铝合金散热器，该涂层采用多壁碳纳米管（MWCNTs）、改性二氧化硅与氟硅树脂（FSi）构建的多级孔隙结构，使总传热系数提升约25%。

4.3.2  数据中心节能

数据中心的服务器运行产生大量热量，需要消耗大量能源进行散热。将辐射制冷涂料应用于数据中心的机房墙壁、天花板和服务器机柜表面，能够辅助传统制冷系统进行散热，降低数据中心的能耗。Song等研发了一种聚合物基多孔辐射制冷涂层，该涂层在510 W/m²太阳辐照度下可实现10.6 ℃的辐射制冷效果。能耗计算结果表明，其平均制冷能耗达429.4 kW时，可节省31%的制冷能耗。

4. 4 在交通领域的应用

4.4.1  汽车涂层

涂覆于车顶或外壳的辐射制冷涂料可反射95%的太阳光，同时通过8~13 μm大气窗口散热。方艳等将辐射制冷涂料应用到汽车表面，研究表明，喷涂辐射制冷涂料的车顶面板及装饰板表面，与喷涂普通涂料的相比，两者平均温度差为7 ℃，降温效果显著。

4.4.2  航空与航天

深空环境中存在极端温度及温度交变，如月球表面昼夜温差达250 ℃，而金星表面大气层的最高温度为500 ℃，为使航天器内的各种元件处于合适的工作温度，需要良好的热控系统。热控涂层是航天器热控材料之一，要求其在0.3~2.5 μm波段具有低吸收率，在3~25 μm波段具有高发射率。Ergokta等利用Li+的嵌入实现了石墨烯器件发射率高达55%的可调区间。实验结果表明，直接暴露在太阳直射下的辐射表面可提供高达141 W/m2的制冷功率，背对太阳的辐射表面的制冷功率为95~282 W/m²。

4. 5 在纺织品领域的应用

由辐射制冷材料制备的智能服装能够为户外和极端环境工作者提供舒适穿戴方案。如Zhang等采用静电纺丝与简易喷涂技术相结合的策略，构建了由聚酰胺6/二氧化硅/热致变色微胶囊/吸湿剂组成的多层结构超织物。该材料通过大规模静电纺丝和层级化设计，展现出优异的选择性红外发射率（95%）。Wei等设计了一种辐射制冷织物。通过增强太阳光阻挡能力和8~13 μm红外波段的热辐射消散实现双重降温，将该织物太阳光反射率从62.6%显著提升至80.1%。在实际人体穿着测试中，改良T恤能使皮肤表面温度降低0.6~1.0 ℃。

4. 6 在农业中的应用

辐射制冷技术在农业中也有成功应用，特别是在炎热和干燥的地区。Li等提出的用于光合作用的辐射制冷薄膜，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、光子晶体结构与水凝胶层构成，兼顾作物降温、保湿与光合作用增强，从而显著增加（20%~370%）农作物产量。Wang等研发的辐射制冷农地覆盖膜，其多层复合结构在提升作物产量、降低土温与减少灌溉用水方面表现突出。田间试验表明，将辐射制冷覆盖膜施用于裸露土壤可使白菜根区温度降低12.5 ℃，并使其产量提高127.4%。

5 结　语

面对日益严峻的能源与环境污染问题，辐射制冷技术提供了一种可行的解决方案。从最初通过单一材料实现夜间辐射制冷，到探索复杂材料结构体系，该技术正逐步从理论走向应用。辐射制冷材料作为一种新兴的零能耗降温技术，通过巧妙利用“大气窗口”效应和材料的光谱选择性，实现了高效被动制冷，在应对全球变暖和能源危机方面展现出巨大潜力。未来，随着辐射制冷材料的耐久性提升和成本降低等技术的突破，辐射制冷材料有望在建筑、能源、交通、电子、纺织品和农业等领域实现大规模应用，为碳中和目标提供重要技术支撑。

文章来源：《涂料工业》2025年第7期

本文作为参考文献时的标准著录格式：

许建明，谭振华. 辐射制冷材料的原理及其应用研究[J]. 涂料工业，2025，55（7）：83-88.

XU J M，TAN Z H. Research on the principles and applications of radiative cooling materials[J]. Paint & Coatings Industry，2025，55（7）：83-88.

DOI号：10.12020/j.issn.0253-4312.2025-081

第一作者

许建明（1988—），硕士，高级工程师，主要从事水性涂料的研发与应用；邮箱：2055139309@qq.com。

通信作者简介

许建明，硕士，高级工程师，自2014年工作以来，先后在国内知名上市涂料企业及北新嘉宝莉涂料集团股份有限公司担任重要研发岗位，专注建筑涂料领域技术创新与产品研发长达十余年。并于2021年在北新嘉宝莉工作期间凭借重大技术创新成果荣获江门市"无限创新"科学技术奖一等奖，工作期间累计获得授权中国发明专利16项，实用新型专利3项，以第一作者在国家级期刊发表论文6篇。