基于波长转换策略的夹层结构全天候辐射制冷材料设计与性能研究

【编辑推荐】本研究针对传统辐射制冷材料(RCMs)在紫外-短波可见光(UV-VIS)波段吸收率高的问题，创新性地设计了一种以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体、结合空心SiO2微球/夜光粉/金红石-TiO2的夹层结构材料。通过中间层波长转换功能将紫外光转化为可见光，底层TiO2反射层实现高效可见光反射，最终使材料在白昼实现15℃、夜间7.5℃的低于环境温度制冷效果，为提升RCMs的日间制冷性能提供了新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，夏季热浪频发导致制冷需求激增，传统制冷技术的高能耗问题日益凸显。辐射制冷技术(Radiative cooling)因其零能耗特性成为研究热点，但现有材料在实现日间制冷时面临关键瓶颈——多数反射材料如TiO₂会在紫外-可见光波段(0.3-0.5μm)产生显著吸收，这部分能量占太阳辐射总量的17.8%(153.15W/m²)，严重制约制冷性能。四川大学的研究团队在《Renewable Energy》发表的研究中，创新性地提出波长转换策略，开发出具有三层结构的PDMS基复合材料，成功实现全天候亚环境温度制冷。

研究采用三步关键技术：通过光学模拟优化夹层结构设计；采用旋涂法制备含空心SiO₂微球(HSiO₂)的顶层散射层；利用夜光粉的荧光转换特性构建中间功能层。户外测试中系统评估了填料体积分数、膜厚等参数对制冷性能的影响。

【材料结构设计】
研究构建了PDMS基三层结构：顶层(PDMS+HSiO₂)通过微球散射增强太阳光反射；中层(PDMS+夜光粉)将紫外光转换为可见光；底层(PDMS+金红石-TiO₂)利用TiO₂的高可见光反射率实现光热阻隔。该设计有效规避了TiO₂在紫外波段的固有吸收缺陷。

【材料质量分数与厚度优化】
单层材料户外实验表明，当HSiO₂体积分数达25%、夜光粉质量分数20%、TiO₂层厚度150μm时，材料在AM1.5G标准光谱下实现92.3%的太阳光反射率和94.7%的大气窗口发射率。

【结论与意义】
该研究首创性地将光谱转换技术引入辐射制冷领域，通过"紫外吸收-可见转换-高效反射"的协同机制，使材料在白昼和夜间分别实现15℃和7.5℃的温降。相较于传统TiO₂基材料，紫外波段吸收率降低达83%，解决了长期制约日间制冷性能的关键问题。PDMS基体的使用赋予材料优异的耐候性，而全无机填料体系则保障了环境友好性，为建筑节能、智能纺织品等领域的零能耗制冷提供了新材料范式。