多功能相变复合薄膜的全气候热管理：辐射冷却与电热转换的协同调控

针对辐射冷却技术冷却功率低且不稳定的问题，浙江大学团队创新性地设计了一种集成辐射冷却、相变储能、热致变色和电热转换的多功能相变复合薄膜（MPCCF）。该薄膜通过三层结构实现环境温度自适应调控，在732 W/m2辐照下实现7.0°C亚环境冷却，低温环境下则通过太阳能吸收和电热转换提供稳定加热，其自清洁表面还增强了耐久性。这项研究突破了传统辐射冷却系统的局限性，为全气候热管理提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，开发低碳可持续的热管理技术成为迫切需求。辐射冷却作为一种被动冷却技术虽具有节能优势，却面临冷却功率密度低、环境温度波动影响大以及无法适应全气候条件的核心瓶颈。更关键的是，现有研究多聚焦夏季高温场景，对冬季低温环境的热需求调控鲜少涉及。传统方案仅通过调节光学特性增强太阳能吸收，难以满足寒冷夜间等极端条件下的稳定供热需求。

针对这一挑战，浙江大学的研究团队开创性地将辐射冷却与多功能相变材料（Phase Change Materials, PCMs）结合，通过相转化法和涂层工艺构建了三层结构的多功能相变复合薄膜（MPCCF）。该薄膜创新性地整合了辐射冷却层（RCL）、柔性相变材料层（FPCML）和热致变色层（TCL），实现了高温环境下的亚环境冷却（7.0°C@732 W/m²）与低温环境的自适应加热双模式切换。相关成果发表在《Renewable Energy》上，为全气候热管理提供了突破性解决方案。

研究采用相转化法制备FPCML基底，通过真空浸渍将n-十八烷（C₁₈H_{382O3/GP/CNT复合涂层构成；TCL则基于VO2实现温度响应性光学调控。通过热循环测试、光谱分析和户外实验验证性能，并采用COMSOL Multiphysics进行能耗模拟。}

材料与结构设计
MPCCF的三明治结构包含：底层FPCML（TPEE/EG/CNT/GP框架负载n-十八烷）提供相变储能（164.5 J/g）和电导率（0.95 S/m）；中间RCL（Al₂O₃散射体与碳材料）实现92.3%太阳反射率；表层TCL（VO₂@PVA）在20°C阈值温度触发低热态（68.1%太阳吸收率）向高热态（23.7%吸收率）转变。这种设计使材料在高温季节通过PCMs储存夜间辐射冷量，白天协同RCL持续降温；寒冷环境下TCL自动增强太阳能吸收，同时FPCML通过焦耳热补充供热。

热性能表征
户外实验显示，在732 W/m²辐照下，MPCCF的RCL与PCMs协同实现7.0°C亚环境冷却，冷却功率达180 W/m²。电热测试表明FPCML在2V电压下实现74.7%电热转换效率，-10°C环境中可维持设备表面温度高于冰点。热循环实验证实材料经过1,300次相变后仍保持92%原始储热能力，Al₂O₃涂层赋予表面150°水接触角的自清洁特性。

能耗模拟分析
COMSOL仿真表明，与传统辐射冷却系统相比，MPCCF在北京地区全年节能率达37.2%，其中PCMs贡献21.5%的冷量延迟释放效益，热致变色切换带来15.7%的太阳能利用增益。这种动态调控特性使其在昼夜温差大的地区表现尤为突出。

该研究通过多物理场耦合设计，首次实现单一材料系统对全气候热需求的智能响应。MPCCF不仅解决了辐射冷却技术的固有局限，其模块化结构（可扩展至1.5×2 m²）和工业化兼容工艺（相转化+涂层）更具实际应用潜力。值得注意的是，材料中碳基网络（EG/CNT/GP）的协同作用使FPCML兼具高导热（4.23 W/m·K）与柔性（180°弯曲无泄漏），而VO₂的窄滞回特性（<5°C）确保TCL快速响应环境变化。这些创新为建筑节能、电子设备热管理等领域提供了新范式，尤其适合解决光伏组件在极端气候下的效率衰减问题。研究团队特别指出，未来可通过替换PCMs类型（如NaLiCO₃）拓展该技术在中高温场景的应用。