摘要：近年来，建筑制冷能耗不断攀升，占全球总能耗的15%，推动了对绿色、被动式冷却技术的迫切需求。被动日间辐射冷却（PDRC）技术通过大气窗口（8–13 μm）将热量以红外辐射形式散发至寒冷的外太空，无需外部能源输入，显著降低建筑冷却能耗与碳排放。然而，传统基于聚合

近年来，建筑制冷能耗不断攀升，占全球总能耗的15%，推动了对绿色、被动式冷却技术的迫切需求。被动日间辐射冷却（PDRC）技术通过大气窗口（8–13 μm）将热量以红外辐射形式散发至寒冷的外太空，无需外部能源输入，显著降低建筑冷却能耗与碳排放。然而，传统基于聚合物的PDRC材料存在耐紫外线老化能力差、易燃等问题，限制了其在户外长期应用的可靠性。

为解决这一难题，哈尔滨工业大学徐洪波副教授、李爻副教授和意大利国家计量院Lorenzo Pattelli教授合作开发出一种全无机柔性陶瓷辐射冷却膜（FSM），其在太阳光谱波段（0.25–2.5 μm）反射率高达97.8%，在大气窗口波段（8–13 μm）的红外发射率达到92.3，实现了白天低于环境温度最高9.2°C的降温效果，净辐射冷却功率达128.52 W/m²。该陶瓷膜还具有优异的耐高温（可达1000°C）、耐火、耐酸和抗紫外老化性能，展现出在极端环境下长期应用的巨大潜力。相关论文以“Flexible Ceramic Radiative Cooling Membranes with High Reflectivity in Solar Spectrum, Excellent UV and Fire Resistance”为题，发表在

研究人员通过静电纺丝与高温煅烧相结合的方式制备出SiO₂纳米纤维膜（FSM）。图1展示了FSM的设计、制备与其在多场景下的应用潜力。SiO₂因其高折射率与低消光系数，在太阳波段表现出极强的散射能力，而Si–O键的声子极化激元共振则赋予其高效的辐射散热能力。通过调控纤维直径分布，FSM实现了广谱高效的光散射。制备过程中，优选10 wt.% PVA浓度可获得连续且均匀的纤维结构，经800°C煅烧后完全去除有机组分，形成纯净、非晶态的SiO₂纤维膜，具备优异的柔性与光学性能。

图1. FSM的设计、制备与应用。 a) 二氧化硅薄膜的复折射率。 b) 太阳波段FSM的散射效率模拟。 c) FSM制备示意图。 d) 辐射冷却性能。 e) 抗紫外线性能。 f) 耐火与高温性能。

图2进一步展示了FSM的形貌与光学特性。前驱体纤维经煅烧后直径略有收缩，平均从841 nm降至716 nm，纤维结构保持完整且呈现漫反射白色。FT-IR与XRD结果表明煅烧后仅存Si–O和Si–OH特征峰，证实了材料的无机纯净性与非晶态结构。紫外-可见-近红外光谱显示FSM在太阳波段反射率极高，而红外发射谱则表明其在大气窗口内具有强烈的热辐射能力。

图2. FSM的表征与光学性能。 a) 前驱体纤维的光学照片与SEM图像。 b) FSM的光学照片与SEM图像，插图为柔性展示。 c) 前驱体纤维直径分布。 d) FSM纤维直径分布。 e) 前驱体纤维的TG-DSC曲线。 f) 前驱体与FSM的FT-IR光谱。 g) FSM与其前驱体的紫外-可见-近红外光谱。 h) FSM与其前驱体的红外发射率谱及大气透射率。

在实际性能测试中，FSM表现出卓越的辐射冷却效果。如图3所示，在哈尔滨夏季晴朗天气下，FSM可实现平均低于环境温度7.7°C的冷却效果，最高降温达9.2°C，显著优于其他对比材料（如电纺PVDF膜与无机商业涂料）。理论计算进一步表明，FSM在不同环境温度与对流系数下仍能保持较高的净冷却功率，最高可达120 W/m²以上。红外热成像显示，覆盖FSM的屋顶表面温度明显低于其他材料，验证了其在实际建筑应用中的高效降温能力。

图3. FSM的辐射冷却性能。 a) 测试装置剖面图。 b) 测试当日（2024年7月11日）的太阳辐照度、风速与相对湿度。 c) FSM、PVDF相转化膜、电纺PVDF膜与无机涂料（ICP）的实时温度曲线。 d) 温度差曲线。 e) 不同对流系数下FSM的理论净冷却功率。 f) 不同环境温度下FSM的理论净冷却功率（对流系数为12 W/m²·K）。 g) 不同冷却材料覆盖的屋顶红外热图像（左侧为裸露屋顶）。

除了优异的冷却性能，FSM还展现出极强的环境耐久性。如图4所示，经过552小时紫外线加速老化（相当于户外368天暴露），其太阳反射率仅下降1.2%，且颜色几乎无变化。TG曲线表明FSM在1000°C下仍保持稳定，而聚合物材料则在400°C左右开始分解。火焰测试中，FSM未被点燃，且光学性能未发生显著变化。此外，FSM在pH=1的酸液中浸泡216小时后反射率仍保持在97.3%，表现出良好的耐酸性。激光与高温太阳模拟器测试进一步证明其在高能量照射下的热稳定性和隔热性能。

图4. FSM的耐受性能。 a) 紫外线老化不同时间后的反射光谱曲线与数值柱状图。 b) 紫外线照射552小时前后的光学照片。 c) CIE 1931色度图。 d) FSM、ICP、PVDF相转化膜与电纺PVDF膜的TG曲线。 e) FSM的火焰阻滞测试。 f) 火焰暴露测试中各材料的光学照片。 g) 火焰测试前后FSM的紫外-可见-近红外光谱。 h) 酸浸不同时间后的反射光谱曲线与数值柱状图。 i) ICP与FSM的激光照射测试。 j) 覆盖ICP与FSM的宇航员模型舱红外热成像图。

在节能应用方面，通过EnergyPlus软件模拟发现，FSM在多个气候区均能显著降低夏季制冷能耗，尤其在高温地区如巴西利亚、丹佛等地，年节能效率可达15%以上（图5a）。全球范围内的节能潜力分布图（图5b）进一步突显了其广泛适用性。通过表面疏水处理（sh-FSM），材料还具备自清洁能力，接触角达134°，能有效抵御液体污染并易于清洗，保障其长期户外使用时的光学性能稳定。

图5. FSM的节能性能。 a) 不同气候城市年节能量。 b) 全球不同气候区年冷却节能量分布图（地图基于CC BY 4.0许可）。 c) FSM表面处理前后的接触角。 d) 水滴流过经疏水处理的FSM（sh-FSM）带走污染物的示意图与照片。 e) 基于反射率、冷却功率、温降、防火安全和抗紫外五个特性的雷达图对比。

综上所述，该项研究不仅成功开发出一种具有高效辐射冷却能力、优异耐火性与抗紫外老化性能的柔性陶瓷膜，还通过系统的实验与模拟验证了其在建筑节能、极端热防护等领域的应用潜力。该材料有望推动辐射冷却技术在实际工程中的大规模应用，并为可持续发展与能源节约提供新的解决方案。

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来源：夏琳科技观察