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一種全無機柔性陶瓷輻射冷卻膜（FSM），其在太陽光譜波段（0.25–2.5μm）反射率高達97.8%，在大氣窗口波段（8–13μm）的紅外發射率達到92.3，實現了白天低于環境溫度最高9.2°C的降溫效果，凈輻射冷卻功率達128.52 W/m2。

近年來，建筑制冷能耗不斷攀升，占全球總能耗的15%，推動了對綠色、被動式冷卻技術的迫切需求。被動日間輻射冷卻（PDRC）技術通過大氣窗口（8–13 μm）將熱量以紅外輻射形式散發至寒冷的外太空，無需外部能源輸入，顯著降低建筑冷卻能耗與碳排放。然而，傳統基于聚合物的PDRC材料存在耐紫外線老化能力差、易燃等問題，限制了其在戶外長期應用的可靠性。

為解決這一難題，哈爾濱工業大學徐洪波副教授、李爻副教授和意大利國家計量院Lorenzo Pattelli教授合作開發出一種全無機柔性陶瓷輻射冷卻膜（FSM），其在太陽光譜波段（0.25–2.5μm）反射率高達97.8%，在大氣窗口波段（8–13μm）的紅外發射率達到92.3，實現了白天低于環境溫度最高9.2°C的降溫效果，凈輻射冷卻功率達128.52W/m2。

該陶瓷膜還具有優異的耐高溫（可達1000°C）、耐火、耐酸和抗紫外老化性能，展現出在極端環境下長期應用的巨大潛力。

相關論文以“Flexible Ceramic Radiative Cooling Membranes with High Reflectivity in Solar Spectrum, Excellent UV and Fire Resistance”為題，發表在Advanced Functional Materials 上，論文第一作者為Li Honglin。

研究人員通過靜電紡絲與高溫煅燒相結合的方式制備出SiO?納米纖維膜（FSM）。圖1展示了FSM的設計、制備與其在多場景下的應用潛力。SiO?因其高折射率與低消光系數，在太陽波段表現出極強的散射能力，而Si–O鍵的聲子極化激元共振則賦予其高效的輻射散熱能力。通過調控纖維直徑分布，FSM實現了廣譜高效的光散射。制備過程中，優選10wt.% PVA濃度可獲得連續且均勻的纖維結構，經800°C煅燒后完全去除有機組分，形成純凈、非晶態的SiO?纖維膜，具備優異的柔性與光學性能。

圖1. FSM的設計、制備與應用。 a) 二氧化硅薄膜的復折射率。 b) 太陽波段FSM的散射效率模擬。 c) FSM制備示意圖。 d) 輻射冷卻性能。 e) 抗紫外線性能。 f) 耐火與高溫性能。 

圖2進一步展示了FSM的形貌與光學特性。前驅體纖維經煅燒后直徑略有收縮，平均從841 nm降至716 nm，纖維結構保持完整且呈現漫反射白色。FT-IR與XRD結果表明煅燒后僅存Si–O和Si–OH特征峰，證實了材料的無機純凈性與非晶態結構。紫外-可見-近紅外光譜顯示FSM在太陽波段反射率極高，而紅外發射譜則表明其在大氣窗口內具有強烈的熱輻射能力。

圖2. FSM的表征與光學性能。 a) 前驅體纖維的光學照片與SEM圖像。 b) FSM的光學照片與SEM圖像，插圖為柔性展示。 c) 前驅體纖維直徑分布。 d) FSM纖維直徑分布。 e) 前驅體纖維的TG-DSC曲線。 f) 前驅體與FSM的FT-IR光譜。 g) FSM與其前驅體的紫外-可見-近紅外光譜。 h) FSM與其前驅體的紅外發射率譜及大氣透射率。

在實際性能測試中，FSM表現出卓越的輻射冷卻效果。如圖3所示，在哈爾濱夏季晴朗天氣下，FSM可實現平均低于環境溫度7.7°C的冷卻效果，最高降溫達9.2°C，顯著優于其他對比材料（如電紡PVDF膜與無機商業涂料）。理論計算進一步表明，FSM在不同環境溫度與對流系數下仍能保持較高的凈冷卻功率，最高可達120 W/m2以上。紅外熱成像顯示，覆蓋FSM的屋頂表面溫度明顯低于其他材料，驗證了其在實際建筑應用中的高效降溫能力。

圖3. FSM的輻射冷卻性能。 a) 測試裝置剖面圖。 b) 測試當日（2024年7月11日）的太陽輻照度、風速與相對濕度。 c) FSM、PVDF相轉化膜、電紡PVDF膜與無機涂料（ICP）的實時溫度曲線。 d) 溫度差曲線。 e) 不同對流系數下FSM的理論凈冷卻功率。 f) 不同環境溫度下FSM的理論凈冷卻功率（對流系數為12 W/m2·K）。 g) 不同冷卻材料覆蓋的屋頂紅外熱圖像（左側為裸露屋頂）。

除了優異的冷卻性能，FSM還展現出極強的環境耐久性。如圖4所示，經過552小時紫外線加速老化（相當于戶外368天暴露），其太陽反射率僅下降1.2%，且顏色幾乎無變化。TG曲線表明FSM在1000°C下仍保持穩定，而聚合物材料則在400°C左右開始分解?；鹧鏈y試中，FSM未被點燃，且光學性能未發生顯著變化。此外，FSM在pH=1的酸液中浸泡216小時后反射率仍保持在97.3%，表現出良好的耐酸性。激光與高溫太陽模擬器測試進一步證明其在高能量照射下的熱穩定性和隔熱性能。

圖4. FSM的耐受性能。 a) 紫外線老化不同時間后的反射光譜曲線與數值柱狀圖。 b) 紫外線照射552小時前后的光學照片。 c) CIE 1931色度圖。 d) FSM、ICP、PVDF相轉化膜與電紡PVDF膜的TG曲線。 e) FSM的火焰阻滯測試。 f) 火焰暴露測試中各材料的光學照片。 g) 火焰測試前后FSM的紫外-可見-近紅外光譜。 h) 酸浸不同時間后的反射光譜曲線與數值柱狀圖。 i) ICP與FSM的激光照射測試。 j) 覆蓋ICP與FSM的宇航員模型艙紅外熱成像圖。 

在節能應用方面，通過EnergyPlus軟件模擬發現，FSM在多個氣候區均能顯著降低夏季制冷能耗，尤其在高溫地區如巴西利亞、丹佛等地，年節能效率可達15%以上（圖5a）。全球范圍內的節能潛力分布圖（圖5b）進一步突顯了其廣泛適用性。通過表面疏水處理（sh-FSM），材料還具備自清潔能力，接觸角達134°，能有效抵御液體污染并易于清洗，保障其長期戶外使用時的光學性能穩定。

圖5. FSM的節能性能。 a) 不同氣候城市年節能量。 b) 全球不同氣候區年冷卻節能量分布圖（地圖基于CC BY 4.0許可）。 c) FSM表面處理前后的接觸角。 d) 水滴流過經疏水處理的FSM（sh-FSM）帶走污染物的示意圖與照片。 e) 基于反射率、冷卻功率、溫降、防火安全和抗紫外五個特性的雷達圖對比。

綜上所述，該項研究不僅成功開發出一種具有高效輻射冷卻能力、優異耐火性與抗紫外老化性能的柔性陶瓷膜，還通過系統的實驗與模擬驗證了其在建筑節能、極端熱防護等領域的應用潛力。該材料有望推動輻射冷卻技術在實際工程中的大規模應用，并為可持續發展與能源節約提供新的解決方案。

來源：高分子科學前沿