辐射制冷材料多功能耦合：智能热管理、能量收集与新兴应用
被动式日间辐射制冷（PDRC）利用“大气透明窗口”，将热量以中红外辐射形式释放至寒冷的外太空，可在不消耗电能的情况下实现降温。然而，传统静态光谱设计难以同时适应不同气候条件和多样化应用需求，推动辐射制冷研究从单一性能优化转向多功能集成与协同设计。
《科技导报》邀请四川大学空天科学与工程学院、机器人卫星四川省重点实验室、空间先进机构与智能飞行器教育部重点实验室鄢定祥教授，以及南开大学材料科学与工程学院马儒军教授团队撰文，系统梳理PDRC在智能热管理、能量收集和新兴功能集成3个方向的研究进展，并分析其从实验室走向实际应用所面临的共性挑战。
未来研究需要加强智能响应材料与高效能量转换结构的协同设计，建立覆盖多种应用场景的服役性能评估体系，推动多功能耦合辐射制冷技术向自适应、可规模化、多能互补的智能平台发展。
在全球能源危机与气候变化背景下，建筑节能减排需求持续增长。炎热季节和地区的建筑制冷能耗是造成电网负荷高峰的重要因素，因此，发展具有突破性的“零耗电”冷却技术尤为重要。
当前，PDRC的多功能耦合主要沿着3条路径展开：
第一，与智能光学材料耦合，使辐射制冷从“持续制冷”升级为“按需调节”。
第二，与能量收集材料集成，使系统从单纯“耗散能量”转向“冷却−发电协同”。
第三，将辐射制冷材料作为可灵活设计的功能载体，与发光、传感、显示等模块一体化集成，推动其从建筑节能拓展至可穿戴电子、柔性传感和智能感知等领域。
1 辐射制冷与智能热管理耦合
为实现全季节、全天候的精准温度调控，辐射制冷技术正与多种智能响应材料及结构融合，形成功能耦合型智能热管理平台。这类系统既可以根据温度、湿度等环境信号被动响应，也可以通过机械力、电场等外部刺激主动调控，动态改变光学和热管理性能，实现“制冷−加热”双模式甚至多模式切换。
1.1 被动响应型辐射制冷
1.1.1 温度响应
温度自适应辐射制冷能够根据环境温度自动切换工作模式，为全年零耗电热管理提供了可行路径。
Min等开发了聚N−异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶/Al2O3复合智能热开关，可在夏季实现低于环境温度5 K的辐射制冷，在冬季实现550 W·m−2的太阳能加热。
Tang等利用W掺杂VO2的相变特性，制备了温度自适应辐射涂层（TARC），在不同气候区均展现出良好的建筑节能潜力。
Wei等开发了将辐射制冷与微胶囊相变材料耦合的动态自适应元织物（DREAM），显著提高了材料的全天候气候适应能力。
Zhang等利用形状记忆聚合物驱动，开发了一系列零耗电双模式热管理器件，实现全被动“加热−制冷”模式切换。优化后的器件具有较高的平均加热功率和平均冷却功率，可将实际应用中的温度波动降低约21 K，展现出全年节能应用潜力。
1.1.2 湿度响应
湿度响应型辐射制冷材料将大气水分作为“调控开关”：在干燥环境中保持高效散热，在湿润环境中改变光谱特性，降低冷却强度，甚至切换至保温模式，从而自适应调节建筑热负荷，提升全天候综合能效。
Fei等采用一步法制备聚偏二氟乙烯（PVDF）乙基纤维素可切换分级多孔涂层（HPC）。该材料通过“纳米孔基质嵌入垂直微米孔”的分级结构，突破了传统材料在辐射冷却和太阳能加热模式之间面临的“厚度约束”。
Zhang等开发了基于气−液相转变的自适应热管理装置（STMD），太阳光调制能力高达83%，同时具有响应速度快、稳定性良好等特点，为建筑节能提供了无源自适应方案。
Galib等利用材料对大气水分的自发吸收，将低成本聚丙烯酸钠粉末转化为聚丙烯酸酯薄膜，实现辐射冷却与蒸发冷却相结合的混合被动冷却。
1.2 主动响应型辐射制冷
1.2.1 机械力响应
为实现按需、动态热管理，辐射制冷正在从静态光谱设计转向基于力学形变的主动调控。
Lee等采用机械屈曲技术制备双模式热管理器件。器件在平面状态下可实现高达59.5 K的太阳能加热；释放应变后弹起形成3D结构，切换至辐射冷却模式，最大温差可达11.9 K。
Butler等设计了应变响应型辐射制冷器，通过机械应变动态调控中红外发射率，实现高达132 W·m−2的辐射冷却功率调控范围，夜间温度调控幅度约为5.1 K。
1.2.2 电响应
主动电响应辐射制冷可以根据实际需求精准控制热辐射，具有调节速度快、控制精度高等优势。
Deng等提出多功能液晶智能窗（MPDLC），实现主动可控的被动辐射制冷和多模式采暖调节。
Zhang等设计了由聚合物稳定液晶（PSLC）和钾铯掺杂钨氧化物/PNIPAM温敏水凝胶组成的Janus型智能窗，将主动响应与被动响应相结合，可同时调节可见光、近红外和中远红外3个波段的光谱。
Yang等制备了氟化PDLC（FPDLC）−SiO2−CWO复合薄膜。该薄膜在电场驱动下能够动态调节可见光透过率，同时利用SiO2的中红外发射能力和CWO的近红外屏蔽功能，实现多波段协同调控。
Sui等和Wang等的研究进一步证明了可逆电沉积技术在动态辐射制冷中的应用潜力。Sui利用石墨烯电极与铜−水系电解质，开发出热发射率可在0.07和0.92之间可逆切换的电致变色器件，兼具安全性和节能性。
Wang等设计了光子超结构电极，在保持较高太阳吸收率的同时，实现中长波红外发射率的大范围调控，并具有超过30 d的双稳态保持能力。全球应用模拟结果显示，该技术可实现11.0%～21.4%的节能率。
2 辐射制冷与能量收集耦合
将辐射制冷与能量收集技术结合，是实现“冷却−发电”一体化的重要前沿方向。该策略突破了单一技术的功能边界，为可持续能源和水资源获取提供了新的解决方案。
2.1 温差发电
将低品位废热转化为电能是可再生能源领域的重要研究方向。辐射制冷与温差发电（TEG）耦合后，可以为温差发电器件的冷端持续提供稳定、零耗电的低温环境，从而提高低品位热能的收集效率。
Shi等受植物硅针结构启发，制备了具有仿生荆棘纤维结构（BTFs）的全纤维素基辐射冷却材料，展现出优异的日间辐射冷却性能。
Li等开发了CO2交联纤维素材料，将辐射冷却与热电转换集于一体。该方法利用CO2在纤维素骨架中引入碳酸酯基团，制得的多孔膜具有较高的日光反射率和中红外发射率，可以实现有效辐射散热。
2.2 摩擦纳米发电机
在设备自供能和智能化需求推动下，摩擦纳米发电机（TENG）与辐射制冷耦合，可以同时从环境中获取机械能与冷量，并将TENG工作过程中容易产生的热量积聚问题转化为辐射制冷的散热优势。
Lee等开发了集成摩擦纳米发电机和辐射冷却器的智能玻璃表面（TENG and RC，TeRC），实现“下雨发电、晴天降温”的全天候工作模式。
Zhang等受甲虫结构启发，研制了具有多尺度结构的柔性热辐射体，可在白昼和夜间实现显著的辐射冷却。
2.3 大气水收集
面对全球淡水短缺问题，大气水收集（AWH）受到广泛关注，但其效率通常受制于冷凝过程所需的高效冷源。
Ahmad等将辐射制冷与润滑表面（LS）技术结合，设计了用于大气水收集的垂直双面结构，使冷却功率密度较传统结构提高约一倍。同时，该结构消除了接触线钉扎，使水滴能够完全依靠被动方式完成收集。
Chen等提出V型混合定向辐射结构，将太阳能加热与辐射冷却在空间上解耦，并实现二者协同增效，为高效太阳能淡水收集提供了新的设计方案。
3 辐射制冷与其他新兴功能耦合
通过先进材料设计和光子工程，研究人员进一步将光致发光、传感、显示和结构功能引入辐射制冷体系。
这些耦合设计不仅缓解了“彩色外观增加太阳能吸收、削弱制冷性能”的固有矛盾，还使热管理能够与信息交互、视觉美学和柔性电子协同工作，拓展了辐射制冷材料的应用边界。
3.1 光致发光功能
荧光发光机制为解决辐射制冷材料中色彩与制冷性能之间的矛盾提供了新思路。
Ma等开发了基于DNA−明胶的本征光致发光生物质气凝胶，在可见光范围内实现104%的太阳加权反射率，突破了100%的理论反射极限。
Wang等设计了荧光3层聚合物涂层（PFTPCs），改善了高冷却效率与鲜艳色彩难以兼容的问题。
Fu等受珊瑚结构启发，开发了基于光致发光的美学复合材料（PLAC）。该材料通过荧光下转换效应，在呈现绿色、黄色和红色等彩色外观的同时，有效降低材料对可见光的吸收热负荷。
3.2 传感功能
柔性传感器容易因环境温度变化出现性能退化，佩戴过程中还可能产生热不适。将辐射制冷与传感功能耦合，可以在不增加外部能耗的情况下，提高设备的热舒适性和信号监测稳定性。
Peng等开发了具有被动辐射制冷功能的超拉伸电子织物，在白天和夜间均能实现良好的制冷效果。织物表面印刷由镓−铟合金（EGaIn）液态金属（LM）形成的可拉伸电路，可作为舒适、透气的表皮生物电极，稳定监测心电图（ECG）、脑电图（EEG）和表面肌电图（sEMG）等高保真生理信号，并且在水下环境中仍能保持良好的传感性能。
Zhong等提出被动等温柔性传感器，以分级结构纤维素气凝胶（HCA）同时作为摩擦负电层和热管理单元，通过辐射冷却与隔热两种机制协同工作，实现自适应热调节。
3.3 结构功能一体化
3.3.1 结构色设计
结构色辐射制冷是实现视觉色彩与冷却性能协同优化的重要方向，其关键在于兼顾色彩定制和高效降温。
Yu等提出基于干涉回射机制的彩色辐射制冷器。采用物理显色机制后，粉色、绿色和蓝色制冷器均能保持约10%的低太阳吸收率和96%的高红外发射率。
Hou等受金龟子鞘翅启发，将胶体光子晶体半球限域组装于多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底的微坑结构中，获得高亮度、高饱和度的多彩外观，并通过分级多孔结构实现高效光谱管理。
这种结构色还具有良好的机械稳定性。微坑结构如同“铠甲”保护内部光子晶体，经过50次磨损循环后仍能保持完整。
3.3.2 辐射制冷陶瓷
陶瓷基辐射制冷材料具有稳定性高、微观结构可调控等优势，在技术商业化方面潜力突出。它可以将制冷功能直接融入建筑构件，克服聚合物容易老化和纳米光子结构成本较高的问题，为建筑节能提供耐久、免维护且兼容现有工艺的技术路径。
Lin等受甲虫鳞片启发，制备了仿生多孔氧化铝陶瓷，太阳反射率达到99.6%，红外发射率达到96.5%，日间冷却功率超过130 W·m−2，平均降温3.8 K。
Zhao等开发了采用溶液法加工的微孔玻璃涂层，太阳反射率达到96%，红外发射率达到95%，在高湿度环境中仍可实现日间约3.5 K的降温。
4 多功能辐射制冷面临的挑战
虽然多功能耦合显著拓展了PDRC的应用范围，但当前研究仍面临5项共性问题：
1）材料性能难以平衡。响应速度与调控幅度通常难以兼得，能量转换效率也普遍偏低。
2）长期稳定性与服役耐久性不足。材料在复杂环境中长期使用时，其光学、机械和响应性能可能衰减。
3）系统集成复杂。不同材料、器件和功能模块之间存在兼容性问题。
4）经济性和规模化制备受限。复杂结构、高成本材料和精密加工工艺增加了商业化难度。
5）真实环境适应性不足。实验室测试条件与实际气候、污染、湿度及长期服役环境之间仍存在差异。
5 结论与未来方向
PDRC正在经历从静态冷却向动态智能、从单一功能向多功能耦合的深刻转变。
在技术突破方面，辐射制冷通过与智能响应材料、能量收集器件、发光材料和传感模块融合，已从追求极致光学性能转向构建自适应综合系统。温敏和电响应材料实现了动态热管理；温差发电与摩擦纳米发电证明了“冷却−发电”一体化的可行性；荧光和结构色设计则缓解了着色与制冷性能之间的矛盾。
在协同增益方面，耦合策略的核心是对多种物理过程进行协同调控。辐射制冷产生的冷源既能维持热电模块所需的温差，也能支持大气水的被动冷凝；光致发光材料通过下转换效应，在呈现色彩的同时补偿太阳能吸收；传感与制冷集成则通过热管理提高信号稳定性，实现“1+1＞2”的协同效果。
在应用拓展方面，自适应热管理器件可以满足建筑全年按需节能需求；“冷却−发电”系统可为分布式传感器提供自供能方案；辐射制冷辅助的大气水收集装置在干旱地区具有应用潜力；集成制冷功能的柔性传感器则为可穿戴电子开辟了新的发展路径。
未来仍需重点解决材料响应速度、长期稳定性、能量转换效率、系统集成复杂度和成本控制等问题，并在智能化与实用性之间实现平衡。随着材料、结构和系统设计不断进步，辐射制冷将不再只是单一冷却方案，而有望成为未来智慧城市中集热管理、能源收集与信息交互于一体的智能平台。
