清華大學(xué)張如范團(tuán)隊(duì)Coatings展望：輻射制冷涂料研究范式從光學(xué)優(yōu)化邁向工程應(yīng)用

近日，清華大學(xué)化工系張如范團(tuán)隊(duì)在Coatings發(fā)表了題為《A Perspective on Radiative Cooling Paints: Bridging the Gap Between Optical Optimization and Practical Application》的前瞻性展望論文。第一作者為博士生趙卓菁，通訊作者為張如范副教授。

輻射制冷作為一種無需外部能源的被動(dòng)冷卻技術(shù)，通過大氣透明窗口（8–13 μm）實(shí)現(xiàn)無能耗散熱，在建筑節(jié)能、緩解城市熱島效應(yīng)、熱管理等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。輻射制冷涂料是一種極具工程價(jià)值與應(yīng)用潛力的材料。近十年來，輻射制冷涂料領(lǐng)域的研究目標(biāo)正發(fā)生深刻轉(zhuǎn)變：從最初追求接近理論極限的光學(xué)性能（即接近于1的太陽反射率與大氣窗口發(fā)射率），逐步轉(zhuǎn)向?qū)Ω咧评涔β省⒏?xì)光譜設(shè)計(jì)、更長環(huán)境耐久性等實(shí)用化指標(biāo)的綜合考量。本文從材料設(shè)計(jì)與制備策略、多波段光譜工程、互補(bǔ)技術(shù)融合、耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)維度，全面梳理了輻射制冷涂料的研究進(jìn)展，并重點(diǎn)探討了其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的環(huán)境耐久性、規(guī)模化生產(chǎn)、多功能集成等核心問題（圖1）。同時(shí)系統(tǒng)闡述了輻射制冷涂料從光學(xué)性能優(yōu)化到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與解決方案，為推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用提供了戰(zhàn)略路線。

開發(fā)高性能輻射制冷涂料的核心在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高太陽反射率與高大氣窗口發(fā)射率。通過光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，許多輻射制冷涂料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了接近理論極限的光學(xué)性能。文章系統(tǒng)梳理了多孔聚合物結(jié)構(gòu)與隨機(jī)粒子結(jié)構(gòu)兩大設(shè)計(jì)路徑，并指出在保證高光學(xué)性能的同時(shí)，需要考慮平衡機(jī)械強(qiáng)度、耐久性與制備工藝的可擴(kuò)展性。為適應(yīng)多樣化應(yīng)用場景（如建筑、汽車、光伏設(shè)備），輻射制冷涂料正從單一白色高反射向彩色化、透明化、動(dòng)態(tài)響應(yīng)方向發(fā)展。通過紅外波段的選擇性發(fā)射、寬帶發(fā)射與低發(fā)射率設(shè)計(jì)，輻射制冷涂料可實(shí)現(xiàn)熱通量調(diào)控，進(jìn)一步拓展其在城市熱島緩解、節(jié)能建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。單一輻射制冷機(jī)制在高溫高濕環(huán)境下性能受限。為了進(jìn)一步提升制冷功率，研究者們通過蒸發(fā)制冷、熒光材料、相變材料等技術(shù)與涂料的融合，實(shí)現(xiàn)全天候、全氣候的高效熱管理。實(shí)際戶外應(yīng)用要求涂料具備長期耐候性。單層涂層設(shè)計(jì)往往難以同時(shí)滿足高冷卻性能與嚴(yán)苛的環(huán)境耐久性要求。對(duì)涂層進(jìn)行協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如多層結(jié)構(gòu)和梯度分布結(jié)構(gòu)被證明是提升涂層耐久性、界面附著力與光學(xué)穩(wěn)定性的有效途徑，為其大規(guī)模工程應(yīng)用奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖2）。

輻射制冷涂料已從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化前沿，但其全面推廣仍面臨耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化、制造成本控制、多功能集成等挑戰(zhàn)。未來研究應(yīng)聚焦于智能響應(yīng)材料、低碳生產(chǎn)工藝、跨學(xué)科系統(tǒng)集成等方向，推動(dòng)輻射制冷涂料成為建筑、交通、能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高效節(jié)能方案。

圖1. 輻射制冷涂料研究框架。

圖2. 輻射制冷涂料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。

第一作者：趙卓菁

通訊作者：張如范副教授

文章信息：Zhuojing Zhao, Zhenyu Guo, Ya Huang, Siming Zhao, Yonglu Zang, Fan Lan, Ruina Liu, Linan Feng, Shuang Tao, Qixuan Cai, Mengxin Lei, Rufan Zhang*, A Perspective on Radiative Cooling Paints: Bridging the Gap Between Optical Optimization and Practical Application, Coatings 2026, 16, 27.

DOI: https://doi.org/10.3390/coatings16010027.

論文鏈接:https://www.mdpi.com/2079-6412/16/1/27