地球表面平均温度逐年升高，致使更多地区长时间依赖基于空气压缩技术的主动制冷设备，如空调、冰箱等。然而，传统主动制冷技术存在诸多问题：不仅大量消耗电力、产生碳排放，进一步加剧全球变暖；还会产生热气或热水，加重城市热岛效应，形成恶性循环；此外，消耗的制冷剂氟利昂会破坏臭氧层，对地球环境和生物造成严重危害。在夏季制冷用电高峰时，甚至可能引发供电紧张和人道主义灾难。
因此，寻找新型绿色、无需化石能源消耗的制冷技术迫在眉睫。辐射制冷技术作为一种创新有效的被动制冷技术，无需消耗电力即可显著降低表面温度。
- 应用领域： 广泛应用于建筑节能、通讯数据中心、粮食仓储、石油化工储罐、电力设备、冷链物流和新能源等领域。
- 核心价值： 能有效替代或减轻主动制冷需求，为化解能源危机提供了可持续解决方案，有助于中国实现 2030碳达峰 与 2060碳中和 目标。
本文旨在系统梳理辐射制冷涂料的技术原理与发展路径。通过整合国内外相关文献、标准规范及实验数据，结合热传导机制分析与材料性能测试结果，从原理解析、技术指标界定、制备路线优化到配套体系设计进行多维度探讨，以期推动该技术从实验室走向规模化应用。
一、辐射制冷涂料国内外现状
辐射致冷涂料作为被动辐射制冷技术的重要应用载体，其发展历程与技术突破呈现出显著的阶段性特征。
1.1、国外发展现状
国外对辐射致冷涂料的研究起步较早，技术积累深厚。
- 理论奠基： 2014年，斯坦福大学范汕洄团队首次在《Nature》报道了可实现白天被动辐射制冷的微纳结构材料，为涂料类辐射致冷材料的开发奠定了理论基础。
- 技术突破： 随后，美国、新加坡、德国等国家的研究机构相继突破关键技术。例如美国加州大学团队通过设计光子晶体颗粒与多孔结构结合的涂料体系，将太阳光反射率提升至0.97，实现了日间 5-8°C 的降温效果。
- 标准与政策： 美国材料与试验协会（ASTM）已制定多项测试标准（如 ASTM E1980-11）；欧盟则通过“建筑能效指令”推动其在绿色建筑中的应用。
- 商业化观察： 欧美等发达国家虽然技术积累深厚，但或许是由于对产品性能的要求较高，或是秉持着相对保守、稳健的态度，目前真正商业化的产品并不多，商业化进程略落后于中国。
1.2、国内发展现状
国内对辐射致冷涂料的研究虽起步稍晚，但近年来发展势头迅猛。
- 科研力量： 清华大学、北京大学、复旦大学、上海交通大学、香港城市大学、南京大学、东南大学等知名高校及科研机构均设有相关研究团队，成果频登《Science》、《Nature》等顶级期刊。
- 标准建设： 我国处于世界领先水平。 中国工程建设标准化协会于2024年发布的 T/CECS 10378-2024《建筑用辐射致冷涂料》 标准是全球首个辐射致冷涂料领域的标准，为行业规范化发展奠定了基础。
- 产业化进程：
- 原材料端： 上海澳润新材料科技有限公司推出的“守酷SOUCOOL®无电致冷系列颜料”，是业内首个辐射致冷涂料用商业化原材料。
- 企业格局： 主要分为两类：一类是由大学和科研机构创办的初创公司（如香港城市大学创办的创冷科技、中建西南院创办的中建光子）；另一类是涂料龙头企业（如富思特、北新建材、北新嘉宝莉、科顺、美涂士、三棵树、立邦、阿克苏等），均在近两年纷纷推出新产品。
二、辐射制冷涂料的工作原理、关键技术要求及相关标准
2.1、辐射制冷技术简介
传统的空气压缩制冷被称为主动制冷（Active Cooling）。与之相反，被动辐射制冷（Passive Radiative Cooling, PRC）无需消耗电能。
物理机制： 地球表面的物体可通过 2.5-25 μm 间的中红外辐射，特别是 8-13 μm 间的 “大气窗口”，将热量传递给寒冷的外太空（3 K），从而达到降温制冷的目的。
- 夜间被动辐射制冷： 这一现象在自然界中很常见，例如即使未达到冰点，夜间叶子上也会形成露水和霜冻。热带亚热带地区早在几个世纪前就利用其为建筑物降温。
- 白天被动辐射制冷（PDRC）： 过去其应用一直局限于夜晚，因为白天强烈的太阳辐射功率远大于辐射制冷功率。直到2014年范汕洄团队利用微纳技术打破了这一限制。本文中所说的“辐射制冷”均指白天辐射制冷，即在太阳直射下涂料表面温度仍可低于环境空气温度的现象。
- 名词说明： 在英文中均用“radiative cooling”表示。大部分中文文献译为“制冷”，但 T/CECS 10378-2024 标准中确定译为“致冷”，两者等同。
2.2、辐射制冷基本原理
热的传递主要有三种机制：固体的直接热传导、气体和液体的热对流以及物体间通过电磁波交换能量的热辐射传递。任何温度大于0 K的热物体均可自发通过电磁波进行热辐射，并且所有物体作为热发射器和接收器的效率相同，即发射率在热平衡时总是等于吸收率。物体间通过相互辐射传热，热传递方向由高温物体向低温物体进行，温度越高的物体，发射的电磁波频率越高（波长越短），能量越大。
由于地球（约300 K）、太阳（约6000 K）和外太空（约3 K）的温度不同，地球在白天接收太阳热辐射（300-2500 nm）吸收能量，同时也会向外太空发射 2.5-50 μm 的中红外电磁波释放能量，总体上从太阳吸收的热量与释放到外太空的热量基本持平，所以地球温度基本保持恒定。然而，现代人类社会活动导致大气中二氧化碳浓度升高，产生的温室效应使释放到外太空的热量减少，进而造成地球表面气温升高。
定量来看，净辐射制冷功率的计算公式为：
$$P_{\text{辐射制冷}} = (P_{\text{rad}} – P_{\text{atm}}) – P_{\text{solar}}$$
(其中 $P_{\text{rad}}$ 为地表辐射功率，$P_{\text{atm}}$ 为大气辐射功率，$P_{\text{solar}}$ 为吸收的太阳能量)
夏季中午太阳的辐照强度约为 1000 W/m²，地表辐射冷却功率一般取值 100 W/m²。只有当涂料的总太阳光反射率（TSR）大于 0.90 时，吸收太阳的能量才能小于 100 W/m²，表面温度才可低于环境空气温度。这就是辐射制冷的基本要求，即辐射制冷涂料应具有极高的太阳光反射率和发射率。目前，辐射制冷学术界普遍认为被动辐射制冷的基本要求是：太阳光反射率 TSR≥0.90，发射率 E≥0.90，并且太阳光反射率和发射率越高，制冷功率越高，降温效果越好。当太阳光反射率TSR达到0.95时，几乎可以在任何气候条件下使涂层表面温度低于环境空气温度。
目前学术界普遍认为，被动辐射制冷的基本要求是：太阳光反射率 TSR ≥ 0.90，发射率 E ≥ 0.90。
相比之下，目前广泛用于冷屋顶的反射隔热涂料，其反射率一般在 0.85-0.88 之间，无法达到 0.90 的硬性基本门槛。
反射隔热涂料只是相对于建筑物本身和普通涂料具有更高的太阳光反射率，表面温度更低，具有一定节能功效，但不能像辐射制冷涂料那样在夏天白天使建筑表面温度低于环境空气温度
2.3、关键技术指标
四种不同材料的屋顶，它们的太阳光反射率（TSR）和发射率（E）均不相同，由太阳光反射率和发射率共同决定的、直接反映日照下表面升或降温幅度的太阳光反射指数SRI也不同。当夏天大气温度为35 ℃时，黑色沥青屋顶反射率极低、发射率高，SRI仅为3，表面温度最高，达到80 ℃；金属屋顶发射率极低、反射率高，SRI为90，表面温度为60 ℃，明显低于黑色沥青屋顶；白色反射隔热涂料具有较高反射率和发射率，SRI可达107，表面温度更低，仅略高于空气温度；辐射制冷涂料具有最高的反射率和发射率，SRI高达121，表面温度仅30 ℃，低于环境空气温度5 ℃，实现了夏天白天被动辐射制冷效果。
决定表面温度和制冷节能效果的关键技术指标是太阳光反射率和发射率：
- 太阳光反射率的影响是发射率的10-20倍。 反射率起决定性作用。
- 如果不含金属颜料，普通涂料由高分子聚合物和无机填料混合，发射率均可轻松达到 0.95，接近理想黑体。若要继续增大发射率不仅实际意义不大，而且非常困难。
- 因此，制造辐射制冷涂料的关键在于提高太阳光反射比，而非发射率。
2.4、相关标准
根据我国 T/CECS 10378-2024《建筑用辐射致冷涂料》标准，辐射性能的具体指标要求如下表：
| 序号 | 项目 | 指标要求 |
| 1 | 太阳光反射比 | ≥ 0.92 |
| 2 | 半球发射率 | ≥ 0.88 |
| 3 | 大气窗口发射率 | ≥ 0.92 |
注：大气窗口发射率是指波长在 8-13 μm 间的选择性法向垂直发射率。此外，标准还规定涂料的耐水性、耐碱性、耐人工老化等常规性能应符合相关涂料标准。
三、制备辐射制冷涂料的技术路线
3.1、钛白在辐射制冷涂料中的局限性
辐射制冷涂料的重要指标是高太阳光反射率和中红外发射率。由于一般涂料在不含金属颜料的情况下，发射率已接近黑体发射率，所以真正的关键指标是太阳光反射率。因此，制备辐射制冷涂料的重点在于如何提高涂料的太阳光反射率。
| 粒径 | 紫外（UV）% | 可见光（VIS）% | 近红外（NIR）% | 太阳光（TSR）% |
| d = 25 nm | 5.9 | 45.1 | 16.6 | 28.9 |
| d = 50 nm | 10.2 | 74.3 | 41.5 | 55.4 |
| d = 100 nm | 13.3 | 85.6 | 73.4 | 78.0 |
| d = 200 nm | 5.4 | 85.7 | 91.3 | 87.7 |
| d = 400 nm | 5.1 | 81.3 | 95.1 | 87.9 |
| d = 800 nm | 4.7 | 77.4 | 94.1 | 85.6 |
金红石型钛白粉因对占总太阳辐照能量约95%的可见光和近红外光具有很高的反射率，且性价比高，而被广泛应用于反射隔热涂料中。一般在白色和浅色漆反射隔热涂料中，常使用粒径在280 nm左右的颜料级钛白粉；在中等明度和低明度的彩色涂料中，则优先选用粒径为400-1000 nm的红外反射钛白，如泛能拓的ALTIRIS® W400、550和800。
然而，钛白粉的带隙为3.0 eV，本质上是良好的紫外线吸收剂，紫外线（UV，300-400 nm）吸收率可达95%，同时还吸收紫色光（400-410 nm），约占太阳光总能量的7%，这使得TSR被限制在0.93以下。优化钛白粉的粒径分布虽可增大散射效率，使反射率接近这一极限，但由于高分子聚合物在近红（NIR, 780-2500 nm）有一定吸收，且可见光也无法全部反射（如图6），因此含钛白的涂料的太阳光反射率极限值为0.90-0.92。实际中，反射率最好的含钛白粉的白色反射隔热涂料的反射率一般在0.85-0.88，美国冷屋顶涂料登记的最高反射率为0.86。使用这种涂料的表面与使用普通涂料和未涂漆的表面相比，温度会明显降低，但仍无法达到低于环境空气温度的白天被动辐射制冷（PDRC）效果。所以，金红石型钛白粉不能用于辐射制冷涂料面漆中。
但在辐射制冷面漆中，它存在致命局限：
- 紫外线吸收： 钛白粉的带隙为 3.0 eV，本质上是良好的紫外线吸收剂，紫外线（300-400 nm）吸收率可达 95%。
- 反射率极限： 这种对紫外及紫色光的吸收，使得含钛白涂料的太阳光反射率极限值被锁死在 0.90-0.92。而在实际商业涂料中，其反射率一般最高只能做到 0.85-0.88，无法满足白天辐射制冷的要求。
3.2、提高太阳光反射率的方法
目前，行业内提高辐射致冷涂料太阳光反射率的方法主要有以下四种：
- 使用特殊光子晶体颗粒：选用在300-2500 nm波长范围内具有高反射率（宽带隙，> 4.13 eV），同时具有高或低折射率（≥1.7或≤1.35）且性价比高的光子晶体颗粒。氧化锌和硫化锌虽是折射率较高的白色颜料，但如钛白粉一样，带隙小于4.13 eV，是强紫外线吸收剂，不能用于辐射制冷涂料。常见的碳酸盐、硅酸盐和二氧化硅等填料，虽不吸收太阳光，但折射率低，与树脂基本相当，散射力差，只有在极高膜厚时（接近毫米级）才具有高反射率，同样不能用于辐射制冷涂料。目前，稀土金属氧化物、氮化物等被认为是最具潜力的辐射制冷材料，这也是辐射制冷领域材料科学家的主要研究方向之一。
- 引入空气孔隙：由于空气对太阳光的吸收率低，折射率为1，而涂料中主要材料树脂和填料的折射率约为1.5，两者折射率差值为0.5，可对太阳光产生较强的散射。引入空气孔隙的方法包括加入无机玻璃陶瓷或有机聚合物塑料中空微球、通过反应形成凝胶或气体挥发及气体发泡等产生气孔以及采用高PVC配方设计等。中空微球的孔径较大，一般为几十微米，散射效率较低，在普通薄层涂料中难以应用。无机硅酸盐涂料可通过水玻璃和硅溶胶的化学反应形成无机凝胶，水挥发后形成微、纳米级孔隙，能对整个太阳光的紫外、可见光和近红外产生强烈散射，是一种理想的方法。高PVC配方设计是最简单、经济且常用的引入空气提高散射效率和遮盖力的方法，在传统工程内墙涂料中广泛使用。但在户外用有机涂料中，高PVC配方一般不被接受，因为树脂少、孔隙多，会导致抗老化性、耐沾污性、抗冻融性等性能较差。不过，无机硅酸盐涂料和硅树脂涂料作为高PVC涂料可用于户外，且在欧洲和世界各地的实践证明，其作为外墙涂料的使用寿命可达20-30年，无机硅酸盐涂料的使用寿命甚至可长达百年。
- 优化颗粒和孔隙参数：优化方法1中光子晶体颗粒或方法2中孔隙的粒径、不同粒径组合以及增大浓度等，均可提高涂料的太阳光反射率。
- 采用复合涂层体系：采用含钛白的底漆和不含钛白的辐射制冷面漆配套的复合涂层体系，如图7所示。由于波长越短，穿透能力越弱，紫外光较容易被面层涂料遮盖并反射出涂膜，而透过面层的可见光和近红外光可通过高散射效率的含钛白的底漆反射出来，这样相对较薄的复合涂层体系就能对包含紫外、可见光和近红外的整个太阳光具有极高反射率。
在树脂（粘结剂）的选择上，氟碳和聚二甲基硅氧烷（PDMS）因耐候性好且近红外吸收率低而被广泛使用。而无机硅酸盐体系由于具备最佳耐候性、微纳米多孔结构及低成本，被认为是目前无电制冷涂料的最优选择。
与其他涂料体系一样，涂料的许多重要性能由树脂决定。辐射制冷面漆由于其相对较高的颜料体积浓度（PVC），树脂含量较一般户外用涂料更少，同时对其抗黄变等性能要求更高。因此，选择合适的树脂（或称粘结剂）体系对于辐射制冷涂料来说至关重要。在辐射制冷涂料技术文献中，氟碳和聚二甲基硅氧烷（PDMS）因耐候性好且对近红外的吸收率更低而被广泛使用；纯丙烯酸和水性脂肪族聚氨酯则因耐候性良好、原材料易得、性价比高而被商业涂料采用。无机硅酸盐体系由于具有最佳的耐候性、微纳米多孔结构产生的更高太阳光反射率以及低成本被认为是无电制冷涂料的最优选择。
四、辐射制冷涂料配套体系
如上所述，辐射制冷涂层通常采用含钛白的高可见光和近红外反射率的底漆同不含钛白的紫外、可见光和近红外全反射的辐射制冷面漆配套组成复合涂层体系可以保证在最小膜厚、最低成本下实现白天被动辐射制冷效果。
由于通常辐射制冷面漆的颜料体积浓度（PVC）稍大于临界颜料体积浓度（CPVC），涂膜为多孔结构，为了提高涂料的耐候性、抗粉化性、防水性、耐沾污性和耐温变性，现商用辐射制冷涂料制造商均推出辐射制冷罩光剂对辐射制冷涂层进行罩面处理。
罩面通常有两种类型，即成膜型罩光和非成膜型罩光。成膜型罩光剂也就是清漆，主要组成是高分子有机聚合物，在溶剂挥发后可在涂层表面形成一层连续致密的聚合物薄膜来防止雨水的进入，保护多孔涂层。这种罩光可能会减少涂层的孔隙，使太阳光反射比稍有降低。另外，为了保持涂层的高紫外反射率，罩光剂中不能采用传统罩光剂的做法加入紫外线吸收剂，因此成膜型罩光的耐候性和抗黄变性一般会较白漆稍差。
为了在最小膜厚、最低成本下实现白天被动辐射制冷效果，通常采用含钛白的高反射率底漆 + 不含钛白的辐射制冷面漆。
由于辐射制冷面漆的颜料体积浓度（PVC）稍大于临界颜料体积浓度（CPVC），涂膜呈多孔结构，为了提高耐候、防水和防污性，目前商用制造商均会推出辐射制冷罩光剂进行罩面处理。罩面通常分为两类：
- 成膜型罩光： 即传统清漆。挥发后形成致密保护膜，但可能会轻微减少涂层孔隙从而降低反射比。且为了保持高紫外反射率，不能加入传统的紫外线吸收剂，耐候耐黄变性略差。
- 非成膜型罩光： 由小分子超疏水氟硅化合物组成。通过疏水化处理使雨水无法进入孔隙。不形成连续涂膜，因而不会影响原涂层的孔隙率和抗黄变性能，是目前的优选方案。
非成膜型罩光剂一般由小分子超疏水氟硅化合物组成，如含氟硅烷或含氟硅酸盐等。这种罩光不会形成连续致密的聚合物膜，但可以通过化学反应或物理附着，使涂层表面疏水化，使雨水不再能进入涂膜的孔隙中，从而保护辐射制冷涂层。由于不形成连续的涂膜，故不会影响原涂层的孔隙率和抗黄变性能，因此罩光处理后涂层的太阳光反射率和耐黄变性保持不变。
五、结语
综上所述，辐射致冷涂料技术作为应对全球气候变暖与能源危机的创新解决方案，展现出了巨大的发展潜力和应用价值。
从原理层面来看，辐射致冷涂料基于热辐射传递机制，利用 “大气窗口” 实现热量向太空的散发，突破了传统制冷方式对电能的依赖，为制冷领域带来了全新的思路。其关键技术指标，如太阳光反射率和发射率，不仅决定了涂料的制冷性能，也为材料的研发和选择指明了方向。
在制备技术上，尽管目前面临着一些挑战，如寻找兼具高太阳光反射率、合适折射率和高性价比的材料，但通过采用多种创新方法，如使用特殊光子晶体颗粒、引入空气孔隙、优化涂层结构以及选择合适的树脂体系等，已取得了显著的进展。这些技术路线为进一步提升辐射致冷涂料的性能提供了有效途径。
在实际应用中，辐射致冷涂料可广泛应用于建筑、工业、能源等多个领域，对于降低能源消耗、减少碳排放、缓解城市热岛效应具有重要意义。其不仅能为建筑节能带来直接效益，还有助于推动各行业向绿色、可持续方向发展。
综上所述，辐射致冷涂料技术作为应对全球气候变暖与能源危机的创新解决方案，展现出了巨大的发展潜力和应用价值。然而，辐射致冷涂料技术仍处于不断发展和完善的阶段。未来，需要进一步深入研究材料的性能和制备工艺，以提高涂料的综合性能，降低成本，增强其在不同环境条件下的适应性和耐久性。同时，加强与其他相关技术的融合，如智能控制技术、储能技术等，有望拓展辐射致冷涂料的应用场景，使其在更多领域发挥作用。相信随着研究的不断深入和技术的持续进步，辐射致冷涂料技术将在全球可持续发展的进程中扮演越来越重要的角色，为构建更加绿色、宜居的未来做出积极贡献。
