香港大学尹晓波&周慈勇Materials Today：低发射率且通讯信号透明的介电涂层助力智慧节能建筑

第一作者： 张翼，李森济
通讯作者： 尹晓波，周慈勇
通讯单位： 香港大学

论文DOI： https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.014

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在智能建筑与能源转型的时代背景下，传统低发射率（Low-E）节能材料普遍依赖导电金属层来反射红外热辐射，然而这类材料会严重屏蔽无线信号，阻碍智能城市的物联网通信。香港大学尹晓波教授团队在《Materials Today》发表最新研究，提出了一种可规模化、低发射率且射频透明的介电复合涂层（LE-PCC），通过“多重光散射”而非“自由电子反射”实现高效热辐射反射，同时保持优异的无线信号透过性能。这项工作为未来兼具节能、智能互联与建筑美学的绿色建筑提供了新解决方案。

研究亮点

·创新机制：
LE-PCC由红外透明的硫化锌（ZnS）微粒与聚乙烯（PE）构成，通过多重光散射反射中红外热辐射，而非依赖导电机制。材料实现了中红外反射率高达0.68，同时无线信号损耗仅2.5 dB（相比传统金属涂层15–70 dB）。

·优异性能：
LE-PCC兼具高反射、低热辐射、高信号透过性、机械稳定性与成本低廉等特点，可在玻璃、木材、陶瓷等多种基底上实现涂覆。

·可调外观：
通过引入红外透明颜料（普鲁士蓝、氧化铁等），涂层可呈现多种颜色，同时保持高红外反射率，满足建筑美学与功能性需求。

·能耗模拟：
建筑能耗模拟显示，采用LE-PCC的建筑在不同气候区均表现出显著节能效果，例如香港年节省46 GJ，洛杉矶节省44 GJ。

研究意义

LE-PCC突破了“节能与通信互扰”的长期难题，为智能建筑和智慧城市提供了一种兼具热管理、无线通信与建筑适配性的多功能涂层材料。该研究展示了介电光子学在能源与通信领域融合应用的巨大潜力。

相关成果以“Scalable low-emissivity and RF-transparent dielectric coatings for year-round energy-saving buildings under all weather conditions”为题发表在《Materials Today》上。（IF=22.0）

研究数据

图一：低发射率聚合物-陶瓷复合材料（LE-PCC）的概念示意图。

(a) 示意图展示了非金属LE-PCC在建筑外墙、内墙和屋顶上的潜在应用，可通过反射红外辐射实现热辐射隔绝，同时不会削弱无线通信信号。

(b) 我们的LE-PCC与传统白漆的热红外（左）与可见光（右）相机图像，样品尺寸均为20 cm × 20 cm。虽然两者具有相似的太阳反射率且外观均为白色，但LE-PCC表现出显著更低的热发射率（即更高的中红外反射率）相比传统白漆。

(c) 我们的LE-PCC与现有其他低发射率材料的信号衰减率比较。LE-PCC的射频信号衰减仅为2.5 dB，而其他低发射率材料的衰减均超过15 dB。这些结果来自后续实验内容。

图二：LE-PCC 的光学与结构特性表征。

(a) ZnS、聚乙烯（PE）及空气的折射率（n）与消光系数（k）。这些材料在紫外到中红外波段间具有较大的折射率差与较低的消光系数，从而产生高效且宽带的光散射。橙色与红色阴影区域分别表示太阳辐射强度与300 K下的黑体热辐射。

(b) 计算了以ZnS为核、PE为壳（壳层厚度1 µm）的核壳结构散射效率。结果表明，在室温下热辐射主要集中于10 µm波段，为实现高散射效率，最佳的ZnS粒径范围为20–100 µm。

(c) LE-PCC具有多孔结构（孔隙率约9.6%），ZnS微粒随机分布并由PE黏结形成骨架。右图为LE-PCC样品实物照片。

(d) LE-PCC的制备流程示意图。

(e) 经360目与500目筛分后的ZnS颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像。

(f) 经不同筛网顺序筛分后ZnS微粒的粒径分布。

(g) LE-PCC的SEM图像，可见单个ZnS颗粒通过PE相互连接。

(h) 采用汞压汞法测得的LE-PCC孔径分布。

(i) LE-PCC的实测太阳反射率与红外发射率。LE-PCC的R_solar与R_mid-IR分别为0.81与0.68。图中同时给出了石膏与白漆的光谱特性：石膏R_solar=0.84，R_mid-IR=0.08；白漆R_solar=0.82，R_mid-IR=0.04。三种材料在R_solar上相近，但LE-PCC的R_mid-IR显著更高，而其他两种低于10%。同时展示了传统低辐射铝漆的光谱。LE-PCC的外观与石膏相似。内插图展示了LE-PCC经标准交叉切割胶带测试（ASTM D3359-2）的结果，剥落面积为5–15%，表明其附着力等级为3B。

(j) 研究了ZnS颗粒尺寸对性能的影响，使用了四种不同尺寸范围的ZnS微粒：(1) 150目–300目；(2) 300目–360目；(3) 360目–500目；(4) 500目–900目。

(k) 研究了PE体积分数的影响。PE含量由ZnS与PE颗粒的质量比确定。当PE体积分数低于20%时，由于黏结剂不足，样品无法形成稳定固体结构。右图展示了不同PE比例样品的交叉切割胶带测试结果，比例尺为1 mm。

图三：LE-PCC 的隔热性能。

(a) 置于100 °C热板上的LE-PCC样品及其红外热像图，样品表面贴有一条碳胶带。图像显示出LE-PCC具有较低的热发射率。

(b) 热增益测试装置示意图。通过循环水系统将环境温度控制在40 °C，以模拟建筑外部环境。利用热电偶测量建筑模型内部温度的变化曲线。

(c) 不同表面条件下建筑模型的室内温度变化曲线。涂覆LE-PCC的样品升温速率明显较慢，表明其辐射热增益显著降低。

(d) 热损失测试装置实物照片。

(e) 热损失测试装置示意图。通过循环水系统将环境温度维持在5 °C。电加热器用于模拟建筑供暖，使模型内部温度保持在25 °C。

(f) 建筑模型在热损失测试中电加热器所需的加热功率曲线。LE-PCC通过减少辐射热损失，有效降低了维持恒温所需的加热功率。

图四：LE-PCC 作为建筑围护结构的实际应用潜力。

(a) LE-PCC 在 2 GHz–20 GHz 频段内的介电谱，包括介电常数与介电损耗。

(b) 通信信号透射测试装置的示意图。

(c) 不同低发射率材料在 2 GHz–18 GHz 射频范围内的信号衰减对比。结果显示，LE-PCC 的信号衰减最小。

(d) 各种彩色 LE-PCC 的光谱曲线。

(e) 彩色 LE-PCC 的扫描电子显微镜（SEM）图像。内插图为彩色 LE-PCC 的实物照片。

(f) LE-PCC 可涂覆于多种基底材料上，包括木材、瓷砖和玻璃，并可形成自支撑膜。

(g) 基于能耗模拟的比较结果，采用白色 LE-PCC、彩色 LE-PCC 与传统石膏材料的建筑能耗表现。结果表明，白色 LE-PCC 在以制冷为主的气候中实现显著节能，而彩色 LE-PCC 在各种气候条件下均表现出节能效果。模拟中的总 HVAC 能耗包括制冷、供暖与通风三部分。