CEJ: 可擴展的陶瓷-聚合物復合柔性無溶劑加工日間被動輻射冷卻薄膜

研究概要

被動日間輻射冷卻（PDRC）薄膜無需任何能量輸入即可實現散熱，為高效熱管理提供了一條可持續途徑。然而，盡管近年來在可規模化制備PDRC領域取得進展，如何實現完全干燥、無溶劑的柔性PDRC薄膜，并保持穩定的戶外冷卻性能，仍是一個有待深入探索的課題。受干法電極工藝啟發，我們提出了一種無溶劑制備陶瓷-聚合物復合薄膜的方法。以聚四氟乙烯為粘結劑，將包括氧化鎂（MgO）、氧化硅（SiO2）、硫酸鋇（BaSO4）、氧化鈦（TiO2）和氧化鋁（Al2O3）在內的多種陶瓷納米粉末制備成柔性薄膜。通過引入中空SiO2和聚偏氟乙烯微球，所制薄膜實現了亞環境日間輻射冷卻能力，具有高達95.15%的太陽光反射率和96.75%的大氣窗口發射率。在直射陽光下（峰值太陽輻照度> 800 W m-2），觀察到薄膜溫度較環境溫度降低約6 °C。仿真結果表明，將該材料應用于乘用車節能窗簾，可顯著降低能耗和碳排放。以巴西利亞市為例，年制冷能耗可降低約13%，展現了巨大的節能減碳潛力。

研究內容

圖1. CPCs薄膜的制備與表征。a 輻射冷卻原理及CPCs薄膜的顯微CT圖像。b CPCs薄膜的干法制備流程圖及其主要優勢。c 聚四氟乙烯（PTFE）在輥壓和拉伸前后的掃描電鏡圖像（比例尺為500 nm）。d 通過輥壓產生的反向剪切力誘導PTFE原纖化的示意圖。e 大面積CPC樣品照片。

圖2. 輻射冷卻無機材料的篩選。a-b 直徑300 nm氧化鎂（MgO）納米顆粒在0.3 μm波長下的模擬電場和磁場分布。c-g 直徑0.1-1 μm的氧化鎂（MgO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氧化鈦（TiO2）和硫酸鋇（BaSO4）顆粒在0.3-2.5 μm波長范圍內的散射效率。h 嵌入MgO納米顆粒的輻射冷卻薄膜在0.3-2.5 μm波段的光譜響應，包括太陽光反射率（左）和中紅外發射率（右）。

圖3. CPCs薄膜的光學表征與應用。a CPCs薄膜太陽光反射率隨偏振角的變化。b CPCs薄膜在2-14 μm光譜范圍內的ATR-FTIR表征。c CPCs薄膜的CIE色度坐標。d CPCs薄膜在0.3-2.5 μm波長范圍內的光譜響應，包括太陽光反射率（黑線）和中紅外發射率（紅線）。e 晴天條件下汽車引擎蓋表面CPCs薄膜的可見光照片及溫度熱成像記錄。f 不同傳熱系數下日間輻射冷卻功率隨溫差變化的模擬。g CPCs薄膜經96小時老化后太陽光反射率及大氣窗口發射率的變化（測試依據GB/T 16422.2標準）。h 已報道輻射冷卻材料的光學性能對比。

圖4. 24 h連續被動輻射冷卻性能測試。a 戶外降溫性能測試系統照片。b 戶外降溫性能測試系統示意圖。c-e CPCs薄膜在24小時連續運行期間的溫度、太陽輻照度及相對濕度實時監測曲線。f 環境溫度與薄膜溫度之間的溫差圖。

圖5. CPCs薄膜節能與碳排放仿真分析。a-b 中國各城市乘用車模型全年制冷能耗分析及碳排放。c 全球代表性國家通過輻射冷卻遮陽簾降低乘用車冷負荷的原理示意圖。d 六大洲九個高代表性國家及地區的制冷能耗與節能效果。

總結與展望

本研究通過可規?；煞üに嚦晒χ苽淞艘环N高性能CPC薄膜。其卓越的輻射冷卻能力源于復合材料的精細光學特性調控。制備過程涉及介電材料與聚合物組分的均勻混合，隨后經球磨和輥壓成型。所得薄膜實現了95.15%的太陽光反射率和96.75%的大氣窗口發射率，從而具備持續亞環境冷卻能力。仿真結果表明，在700 W·m?2光照強度下，該薄膜可實現80 W·m?2的冷卻功率。在實際應用中，薄膜日間降溫效果達環境溫度以下6 °C，優于多數傳統涂層。用作汽車遮陽簾時，平均節能率達9%，年碳排放減少9 kg·m?2。除卓越冷卻性能外，該薄膜兼具柔韌性與優異耐候性。其無溶劑制備工藝與零能耗冷卻機制，不僅降低了能耗，還規避了傳統材料中有毒溶劑帶來的環境風險。這些成果共同驗證了被動日間輻射冷卻的技術可行性，并為規?；瘧瞄_辟了實踐路徑，在應對全球變暖進程中標志著重要進展。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175153

相應的成果以“Scalable dry-processing of ceramic-polymer composite flexible passive daytime radiative cooling films”為題發表在《Chemical Engineering Journal》，文章的通訊作者為清華大學伍暉教授，北京理工大學李磊副研究員，江城實驗室吳小虎教授和中北大學李偉偉副教授。