文献前沿丨Composites Part B：层级薄膜中谱调制辐射制冷与一体化制热的协同调控及全季热管理

随着全球气候变化、极端天气频发以及建筑与个人热舒适需求的不断提升，传统暖通空调系统所带来的高能耗与碳排放问题日益突出。被动辐射制冷和太阳能加热因其能够利用外界自然能量实现低能耗热调控而备受关注，但单一制冷或单一加热材料往往难以适应季节变化，且在夜间、低温或太阳辐照不足等场景下，仅依赖被动加热难以满足快速响应需求。针对上述问题，本文提出了一种分层结构多功能热调控薄膜（multifunctional thermal regulation film，MTRF），通过层层沉积、界面调控相分离与石墨烯喷涂等方法，将被动辐射制冷、被动太阳能加热和主动焦耳加热集成于同一薄膜体系中。该薄膜由空心SiO₂分散PES层、液态金属嵌入PES层以及堆叠石墨烯层构成，在制冷模式下太阳反射率达到97.7%，在加热模式下太阳吸收率达到94.8%，并可在0.6V低电压下使表面温度于31.2s内从−20℃升至20℃。室外测试表明，MTRF夏季可实现平均5.3℃的亚环境辐射制冷效果，冬季可实现平均6.7℃的太阳能加热效果。综上，该研究通过可翻转分层结构与导电网络设计，实现了宽温域、全季节、低能耗的热管理，为便携式遮蔽结构、可穿戴设备以及极端环境防护等应用提供了新的材料设计思路。相关工作以Synchronizing spectrum-modulated radiative cooling and integrated heating in hierarchical film for all-season thermal management为题发表于Composites Part B期刊。

本文围绕全季节自适应热管理需求，设计了集辐射制冷、太阳能加热和焦耳加热于一体的分层MTRF。文章首先展示其高温制冷、低温加热结构与便携式遮蔽应用机理（图1）；随后说明薄膜制备流程、双面外观、三层截面结构、石墨烯导电网络、PES/LM嵌入层、PES/H–SiO₂双峰孔结构及组分和力学性能（图2）。光学调控结果表明，微/亚微孔协同增强散射，H–SiO₂进一步提升太阳反射率至97.7%，并通过分子振动增强大气窗口发射，理论上具有较高净冷却功率（图3）。加热性能方面，石墨烯层提高吸收率并稳定液态金属，实现稳定光热转换、889.2W/m²净加热功率和低压可调焦耳加热，−20℃下0.6V可31.2s升至20℃（图4）。室外测试验证其夏季制冷、冬季加热、耐候与热稳定性能（图5）。EnergyPlus模拟表明其在12个城市均具节能潜力，海口节能效率最高达27.3%（图6）。

图1.MTRF在不同环境中的结构与工作原理示意图：高温条件下以PES/H–SiO₂层朝外实现太阳散射和高红外发射的制冷模式，低温条件下以石墨烯层朝外实现太阳吸收、低发射及焦耳加热的加热模式，并展示其在便携式遮蔽结构中的应用。

图2.MTRF的设计、制备与结构表征：（a）H–SiO₂/PES/PVP溶液、液态金属层、相分离、石墨烯喷涂、热压和翻转过程示意；（b）MTRF白色制冷面与黑色加热面的实物照片；（c–d）MTRF截面SEM图像及C、O、Ga、In元素映射，显示Graphene、PES/LM和PES/H–SiO₂三层结构；（e）石墨烯层SEM图；（f–g）PES/LM层SEM图和元素分布；（h）PES/H–SiO₂层SEM图，显示微孔与亚微孔双峰孔结构；（i）石墨烯、G-LM、PES/LM和PES的XRD图谱；（j）PES、PES/LM和MTRF的应力—应变曲线。

图3.MTRF制冷模式的光学调控与理论冷却性能：（a）双峰孔结构PES的孔径分布；（b）不同质量浓度PES薄膜的太阳反射光谱；（c）0.4–2.0μm均一孔径PES的散射效率；（d）2.0–7.0μm均一孔径PES的散射效率；（e）PES、PES/H–SiO₂和PES/SiO₂的太阳反射率对比；（f）H–SiO₂和SiO₂在不同波长下的电场分布；（g）PES和PES/H–SiO₂的红外发射率光谱；（h）H–SiO₂和PES的红外吸收光谱，蓝色区域为大气窗口；（i）不同非辐射换热系数下PES/H–SiO₂体系的理论净冷却功率。

图4.MTRF加热模式的光热转换与焦耳加热性能：（a）MTRF、MTRF@LM和MTRF@ATLM的太阳吸收率；（b）MTRF、MTRF@LM和MTRF@ATLM的红外发射率光谱；（c）光热测试装置示意；（d）600、800、1000和1200W/m²模拟太阳辐照下MTRF的温度变化；（e）MTRF光热循环稳定性；（f）不同非辐射换热系数下MTRF理论净加热功率；（g）MTRF及不同液态金属超声时间样品的方阻；（h）0.2、0.4、0.6、0.8和1.0V直流电压下MTRF的温度变化；（i）阶梯升压条件下的连续温度变化；（j）−20℃低温环境中0.6V下MTRF由−20℃升至20℃的温度曲线及红外热像；（k）MTRF与已报道多功能热管理材料的光热转换和焦耳加热性能对比。

图5.MTRF的室外全季节热管理与耐候性能：（a）制冷模式下热辐射传递机理；（b）加热模式下热辐射传递机理；（c）2024年9月28日PES与MTRF的室外制冷性能；（d）木质小屋及其表面覆盖商业涂层和MTRF制冷模式的实物照片；（e）2024年10月11日裸小屋、商业涂层和制冷模式MTRF的内部温度；（f）2024年12月14日MTRF与MTRF@LM的室外加热性能；（g）木质小屋及其表面覆盖MTRF制冷模式和加热模式的实物照片；（h）2024年12月16日裸小屋、制冷模式和加热模式下的内部温度；（i）PES、PES/H–SiO₂和MTRF的TGA曲线；（j）MTRF制冷模式在紫外、高温高湿和低温环境后的耐候性；（k）MTRF加热模式在极端环境后的耐候性。

图6.MTRF在不同气候区的节能潜力模拟：（a）12个代表城市中原始建筑、加热模式覆盖建筑和制冷模式覆盖建筑的年采暖能耗；（b）12个代表城市中原始建筑、加热模式覆盖建筑和制冷模式覆盖建筑的年制冷能耗；（c）12个代表城市中MTRF的年节能量与节能效率。

小结：本研究开发了一种具有精细分层结构的多功能热管理薄膜（MTRF），该薄膜由空心SiO₂分散PES层（PES/H–SiO₂）、液态金属嵌入PES层（PES/LM）和堆叠石墨烯层组成，并在同一平台中成功集成了被动辐射制冷、太阳能加热和焦耳加热功能。MTRF实现了高效、宽适应性且快速的热调控：在制冷模式下太阳反射率达到97.7%，在加热模式下太阳吸收率达到94.8%。其嵌入式导电网络赋予薄膜高效焦耳加热能力，在0.6V低电压下可于31.2s内使表面温度从−20℃升至20℃。室外测试表明，MTRF在夏季可实现平均低于环境温度5.3℃的辐射制冷效果，在冬季可实现平均高于环境温度6.7℃的太阳能加热效果，显示出在实际条件下优异的全季节热管理能力。值得注意的是，实验结果与理论预测的净冷却和净加热能力高度一致。EnergyPlus模拟进一步验证了MTRF在不同气候区降低HVAC能耗的潜力，其中海口地区节能效率可达27.3%。该工作强调了分层复合材料在集成多种热调控机制方面的应用潜力，可服务于节能型全季节热管理与可持续能源节约。不过，液态金属和石墨烯等材料目前仍存在相对较高的成本，未来有望通过持续研究与工艺优化降低其大规模应用成本。

论文信息：Haoran Cai, Mingxin Feng, Shuangjiang Feng, Xu He, Chuangyi Tong, Dudong Feng, Shuang Liang, Yuming Zhou, Synchronizing spectrum-modulated radiative cooling and integrated heating in hierarchical film for all-season thermal management. Composites Part B, 2026, 313: 113400.

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