光致发光辅助分级超构织物遮阳帘用于高效被动冷却

《The Innovation》：Photoluminescent-assisted hierarchical metafabric sunshade for high-efficiency passive cooling

　　

摘要专业翻译 高太阳辐照地区的高层建筑和电动汽车在气候控制方面消耗大量能源，对全球可持续发展构成重大挑战。主要障碍在于如何在不妨碍舒适性的前提下整合零能耗、高效的冷却解决方案。随着城市化进程的加剧，创新解决方案必须在环境影响与功能性之间取得平衡。研究人员提出了一种整体性策略，采用光致发光辅助的分级超构织物遮阳帘实现玻璃后光谱调控。该材料在中红外（MIR）波段实现了95.8%的发射率，在太阳波段实现了94.3%的反射率。其中嵌入的荧光粒子（FPs）能够高效地将吸收的紫外（UV）光转换为可见光，绝对量子产率达到16.4%，显著提升了超越传统被动辐射材料的冷却性能。在实际测试中，搭载该超构织物遮阳帘的车辆内部温度较空白对照组和商用遮阳帘组分别降低了17.8°C和14.4°C。这些结果表明，光致发光增强型超构织物代表了一种可持续、节能的高层基础设施和交通运输冷却路径，为缓解城市热岛效应和推进全球可持续发展目标提供了可扩展的解决方案。

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一、研究背景与科学问题

全球城市化进程正在加速，城市人口预计将从2022年的57%增长至2050年的68%。伴随高层建筑和电动汽车（EVs）的普及，城市热岛（UHI）效应加剧了人类暴露于极端热环境的风险。在现代商业化城区中，玻璃密集型高层办公楼和配备全景天窗的电动汽车已成为建成环境热界面的主导形态。虽然低辐射（low-E）玻璃已被广泛采用以提升座舱美学和采光效果，但日益严峻的全球气候危机使传统玻璃方案已不足以应对。太阳辐射穿透玻璃在室内积聚热量，不仅威胁乘员安全，还会引发车辆高分子材料的老化，这一问题同样存在于玻璃幕墙高层办公楼中。空调系统虽能有效降温，但能耗巨大且无法防护乘员和内饰免受阳光损伤。商用遮阳帘虽能隔绝环境加热，但其热辐射隔绝能力薄弱，太阳辐射仍可穿透并加热座舱。因此，玻璃后封闭空间的热管理亟需向更可持续的被动策略范式转变。

被动辐射冷却（PRC）作为一种变革性的零能耗技术，通过精密微纳光学工程在太阳波段和热波段调控电磁波。尽管已有多种分级结构设计——包括微纳纤维膜、金属反射-聚合物-介电复合多层膜、多孔膜、光子结构超材料多层膜以及分级形貌超构织物——但在low-E玻璃系统内实施这些技术仍面临巨大挑战。全景low-E玻璃天窗在太阳波长（特别是紫外和可见光谱）具有高透射率，且在中红外（MIR）波段存在吸收，导致车内热量积聚。更为关键的是，low-E涂层固有的低发射率阻碍了内部热量的辐射耗散，形成温度升高与材料劣化的正反馈循环。此外，银（Ag）等贵金属的依赖及复杂制备工艺制约了大规模产业化，而过高的太阳反射率又可能造成有害的白光污染。应对这些多重约束，亟需在光学结构设计上实现根本性创新——在峰值太阳反射率、最小光污染和高抗紫外老化能力之间取得平衡。

二、研究内容与核心结论

研究人员提出了一种光致发光辅助的被动冷却策略，采用分级结构实现高层办公楼和电动汽车内部的玻璃后光谱调控，在实际测试场景中取得了显著的冷却效果。该超构织物遮阳帘由高MIR发射层、高效太阳辐射反射层和具有MIR增强透射或发射性能的保护层组成。基于基尔霍夫热辐射定律和电磁理论，材料在MIR光谱范围内的强虚折射率赋予其强烈的热发射能力。嵌入发射层的荧光粒子（FPs）展现出优异的光致发光性能，可将入射紫外辐射高效下转换为可见光并重新发射至环境中。通过将光致发光与辐射冷却相结合，这一复合策略赋予材料独特的光谱选择性，显著增强了超构织物遮阳帘的冷却效能。

研究结果表明，超构织物遮阳帘在太阳波段的反射率达到94.3%，在MIR波段的发射率达到95.8%。与不含FPs的超构织物遮阳帘相比，含FPs的样品在紫外波段表现出略高的反射率，这归因于FPs的光致发光能力。研究人员评估了所用FPs的绝对量子产率，确定光子转换效率为16.4%。在等温条件下，非光致发光超构织物的最大净冷却功率为77.23 W/m2，而经优化的超构织物遮阳帘净冷却功率达到130.13 W/m2，较其他PRC研究实现了净冷却功率的显著跃升。在实际玻璃房冷却实验中，超构织物遮阳帘玻璃房较空白组和传统遮阳帘玻璃房分别实现了16.5°C和9.6°C的最大温度降低。在车辆实测中，配备超构织物遮阳帘的车辆内部上部和下部温度较空白车辆分别最大降低9.2°C和17.8°C，较商用遮阳帘车辆分别降低7.9°C和14.4°C。驾驶座椅背和坐垫较空白车辆分别可冷却最高5.4°C和3.7°C，较商用遮阳帘分别降低4.8°C和3.3°C。

三、关键技术方法

研究人员采用了多种关键技术方法开展研究。在材料制备方面，采用可扩展的刮刀涂覆（knife-coating）方法制备超构织物遮阳帘，反射层由随机分布的锐钛矿型TiO₂颗粒嵌入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VdF-HFP)）基体中构成，发射层掺入荧光粒子（MHG，一种SrAl₂O₄: Eu²⁺,Dy³⁺,Yb³⁺黄色-绿色发光颜料），保护层采用尼龙织物。在表征方面，使用紫外-可见-近红外分光光度计（SolidSpec-3700）配备积分球测量太阳波段（0.3–2.5 μm）反射和透射光谱，使用傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet iS50R）配备金积分球测量MIR波段（2.5–25 μm）吸收-发射和透射光谱。采用扫描电子显微镜（JSM7900F）表征微观结构。在性能评估方面，依据ASTM G-154标准进行紫外老化测试，依据GB/T 31899标准进行循环加速老化测试，依据GB/T 21196.2–2007标准进行摩擦稳定性测试，使用万能试验机进行拉伸性能测试，使用热导率测试仪（TC3000E）基于瞬态热线法测量热导率，使用Dataphysics OCA 20仪器测试水接触角。在光学模拟方面，结合数值模拟软件和光学模拟软件构建超构织物遮阳帘结构的完整建模系统，采用周期性边界条件计算反射率和透射率，通过电磁损耗积分获得发射率/吸收率。在热测量方面，构建三个相同尺寸的玻璃房并在中国武汉（2024年8月3–6日）进行4天连续温度测量，同时在中国西双版纳（2024年2月22–23日）租用三辆型号、颜色、生产年份和车龄基本相同的车辆进行24小时连续温度测量，使用K型热电偶（TT-K-30-SLE）连接记录仪（TC-08，Pico Technology）实时监测温度，测试误差室外为0.4°C、室内为0.1°C，太阳辐照强度数据来自Solcast官方网站。

四、研究结果分述

分级结构设计： 研究人员基于超构织物遮阳帘构建了微纳尺度光子结构的高保真模型并进行光学数值模拟。模拟揭示当P(VdF-HFP)基体厚度接近100 μm阈值时，红外大气窗口内的平均发射率收敛至约95%。太阳波段的高透射率归因于P(VdF-HFP)在大部分太阳波段折射率虚部可忽略，导致电磁损耗极小。聚合物在热波长范围内具有多个消光峰，覆盖延伸至长波长MIR窗口，源于其分子结构固有的多种振动模式。在反射层设计中，选择TiO₂（高折射率实部）作为微纳光子球，P(VDF-HFP)（MIR波段高折射率虚部）作为基体材料。400 nm尺寸的TiO₂颗粒在太阳波段散射效率最高。当反射层厚度为300 μm、体积分数为25%时，太阳波段加权反射率接近约93%。无论采用TiO₂还是微纳空腔作为反射层颗粒，最优反射率均在300 μm厚度时实现。

材料设计与表征： 研究人员采用可扩展的刮刀涂覆方法制备了宽度为1.2 m的光致发光超构织物，包含FP掺杂发射层（约40 μm）、反射层（约300 μm）和尼龙保护层（约60 μm）。扫描电子显微镜（SEM）表征确认了明确的分级光学结构以及TiO₂颗粒在反射层内的高度均匀分散。超构织物遮阳帘太阳反射率为94.3%，MIR发射率为95.8%。FPs在300–400 nm具有类正态吸收光谱并发射可见光，绝对量子产率为16.4%。超构织物遮阳帘热导率仅为0.059 W/(m·K)，较天窗玻璃（0.987 W/(m·K)）低一个数量级，形成有效的热屏障。水接触角为138.8°，具备自清洁功能。经168小时连续紫外照射后太阳反射率波动仅1.85%；经288小时紫外辐射和144小时高湿喷淋后仍保持90.0%的太阳反射率；经100次摩擦循环后保持93.6%的太阳反射率。拉伸测试显示超构织物断裂力约127 N、断裂伸长27 mm，较商用天窗遮阳帘（98 N、22 mm）拉伸强度提升约30%。

玻璃房和车辆热测量： 在中国武汉的玻璃房冷却实验中，超构织物遮阳帘玻璃房较空白组和传统遮阳帘组分别实现16.5°C和9.6°C的最大温度降低，平均净辐射冷却性能为154.35 W/(m2·K)。含FPs的超构织物较不含FPs的版本实现最大2.2°C的额外温度降低，验证了FPs对整体冷却性能的贡献。在中国西双版纳的车辆实验中，三辆相同型号、颜色和制造年份、配备1340 × 1050 mm全景天窗的车辆分别安装超构织物遮阳帘、商用遮阳帘和空白对照，均朝北停放以确保均匀太阳照射。配备超构织物遮阳帘的车辆内部上部和下部温度较空白车辆分别最大降低9.2°C和17.8°C，较商用遮阳帘车辆分别降低7.9°C和14.4°C，平均净辐射冷却性能达459.69 W/(m2·K)。驾驶座椅背和坐垫较空白车辆分别冷却最高5.4°C和3.7°C，较商用遮阳帘分别降低4.8°C和3.3°C。天窗内表面温度较空白和商用遮阳帘车辆分别降低约11.6°C和7.9°C。此外，超构织物在紫外灯照射下展现高效波长转换能力，从紫外灯转换至环境节能照明时呈现非纯白色的精致美学。

五、结论与意义

研究人员提出了一种用于玻璃后光谱调控和高效被动冷却的光致发光辅助分级超构织物遮阳帘。通过简单可扩展的刮涂工艺即可实现这些微纳光子结构的工业规模生产。超构织物遮阳帘在太阳波段具有94.3%的高反射率和MIR波段95.8%的优异发射率。关键在于，FPs的整合通过促进光谱下转换显著降低了紫外辐射对超构织物遮阳帘的影响，从而大幅提升了被动冷却性能。这种协同效应将被动冷却性能显著提升至超越传统辐射发射体的极限。超构织物遮阳帘在各种户外应用中展现出可持续的被动冷却性能，在降低车辆内部温度方面显著优于天窗玻璃和商用遮阳帘。除光学性能外，该超构织物还具备内在疏水性、机械柔韧性、增强的紫外屏蔽能力和极低热导率等多功能属性。因此，通过高效的微纳结构设计和材料优化，超构织物遮阳帘对于极端高温环境下车辆low-E玻璃天窗内部的可持续被动冷却具有高度有效性。超构织物遮阳帘在高层建筑、车辆及其他领域的玻璃后光谱调控方面具有广阔前景。随着全球城市化加剧和UHI效应带来的挑战日益严峻，这一微纳光学调控技术为减轻相关人类健康和环境影响提供了有效解决方案。此外，该工作对未来人类宇宙探索可能具有深远意义，其中特定光谱调控解决方案将至关重要。该论文发表于《The Innovation》。