摘要：

辐射制冷涂料的发展对解决全球变暖的问题和减少能源消耗具有重要意义。文中介绍了白色、彩色和透明3种辐射制冷涂料及其采用的功能材料。分别讨论了白色单涂层和双涂层辐射制冷涂料；介绍了彩色辐射制冷涂料进行着色的3种策略——光致发光、热致变色和结构着色；对透明辐射制冷涂料，讨论了通过采用负载SiO2、Al2O3、PDMS复合物和纤维素纳米晶等功能材料的透明基底，实现辐射制冷涂层对可见光高透明度的方法。展望了未来辐射制冷涂料在实际应用中的发展方向。

关键词：

辐射制冷；涂料；白色涂层；透明涂层；彩色涂层

理论上减缓全球变暖最有效的技术方案是减少地球对太阳辐照热量的吸收率，其中，被广泛关注的一种技术是辐射制冷。辐射制冷是一种在地表以长波红外线通过大气窗口向超低温外太空辐射热量以实现地表被动制冷的技术。从热力学研究可知，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，热辐射的光谱是连续谱，而且温度越高，热辐射中短波的成分也越多；温度25 ℃的地球比−270 ℃的宇宙更热，所以地球会自发向宇宙散发热辐射。但是，由于空气对不同波长的红外辐射有吸收，且吸收程度不同，大气中的水蒸气、二氧化碳等对某些波段的红外辐射不吸收或极少吸收，吸收率小即透射率高的波段被称作“大气窗口”，该波段一般被认为是8~13 μm的波长范围。因此，当物体温度引起的热辐射光谱波段处于大气窗口时，便可从地球表面逃逸到外太空，从而引起物体温度下降。与消耗电能将废热排放到周围环境的传统冷却技术不同，辐射冷却是一种通过空间散热而不消耗任何能源的技术，因而也被称为是一种被动制冷技术。

涂料在建筑和工业领域应用广泛，这些领域均有较大的制冷需求，是能源消耗的重要组成部分。为此，通过涂料的辐射制冷功能实现建筑和工业领域的被动制冷具有重要意义。本文对具有辐射制冷功能的白色、彩色和透明3种类型涂料所用功能材料的研究现状进行了综述，最后对它们未来的发展方向进行了展望。

1. 白色辐射制冷涂料

白色涂料最容易实现辐射制冷功能，也最先被研究。其根据涂层结构可分为单涂层辐射制冷涂料和双涂层辐射制冷涂料。

1.1 单涂层辐射制冷涂料

单涂层辐射制冷涂料所用材料被研究得最多的是SiO2、TiO2、BaSO4或聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其复合物。单涂层辐射制冷涂料的制冷原理如图1所示，功能材料具有低的太阳光（0.3~2.5 μm）吸收率和高的太阳光反射率，同时具有高的8~13 μm长波红外发射率。

图1　单涂层辐射制冷涂料的制冷原理示意图

Fig.1　Schematic cooling mechanism of the single-layer radiative cooling coatings

Atiganyanun 等报道了一种SiO2 微球组成的随机介质，得益于随机介质以最大限度提高太阳光谱中的光散射，并增强大气窗口波段的热发射，使得其在白天冷却方面明显优于市售的太阳能反射白色涂料。Song等利用具有抗紫外线性能的TiO2 纳米颗粒，通过蒸发驱动组装形成分级多孔形态，确保了耐污性和高太阳光反射率之间的平衡，从而制备出一种耐老化的制冷涂层。Li等通过控制超白BaSO4的粒径分布，制备的丙烯酸涂料太阳光反射率为98.1%，大气窗口发射率为95%。Chen 等研究了PDMS聚合物材料、涂层厚度和表面微观结构对涂层冷却性能的影响，使用Ag基板的PDMS涂层太阳光反射率可达94.6%。

只使用单一种类功能材料的辐射制冷涂料往往难以实现高效的辐射制冷效果，为此学者们也研究了SiO2、TiO2、BaSO4 和PDMS 等功能材料的复合物。例如，由于SiO2 在10~12 μm 波段的发射率较低，而TiO2作为辅助材料可有效提升其在该波段的发射率，因此Cheng等提出了一种由TiO2和SiO2颗粒混合而成的TiO2/SiO2单层辐射制冷涂层，计算模拟结果表明涂层的平均太阳光反射率可达95.6%，而在不添加银反射层的情况下大气窗口发射率可达94.9%。另外，由于TiO2在UVC（100~200 nm）和UVB（280~315 nm）的紫外波段有吸收，导致TiO2暴露于环境中容易发生光降解而在一定程度上限制了其在户外环境中的应用，而PDMS 能够有效抑制TiO2 的光降解，为此Mishra等开发了一种在PDMS基质中随机嵌入TiO2介电微球的TiO2/PDMS复合物涂层，显示出高太阳光反射率（约94%）和高大气窗口发射率（约96%）。此外，因BaSO4具有超高的白度而展现出优异的太阳光反射率和大气窗口发射率，故也被用来改善SiO2粒子的辐射制冷性能。例如，Yang等通过对BaSO4和纳米SiO2颗粒的改性合成了一种无机矿物聚合物基辐射制冷涂层，大气窗口发射率达94.91%，太阳光反射率达97.6%，当阳光直射时，涂层表面温度可以下降至低于环境温度8.9 ℃。

对于其他类型材料，如含氟聚合物、CaCO3、ZnO、Al2O3、ZrO2、SiOx、无机磷酸盐和硅藻土等。Zhang等设计了一种由聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯[P（VdF-HFP）]和石墨组成的具有高效制冷和温度均匀性的复合涂层，在白天可获得约15.5 ℃的降温，并且涂层表面温差在2 ℃以内。Li等报道了一种由大电子带隙以及宽粒径分布的CaCO3填料与丙烯酸树脂制备的CaCO3-丙烯酸涂料，涂层显示出高太阳光反射率（95.5%）和大气窗口发射率（94%）。Kang 等报道了一种多面体和无定向孔的ZnO@ZIF-8纳米粒子基聚合物涂层，表现出高太阳光反射率([ 90±1)%]和 高 大 气 窗 口 发 射 率([ 95±1)% ]。Dong 等将PDMS-尿素共聚物和Al2O3的悬浮液浇铸在基材上，然后溶胀硅油获得了具有防污和自愈等综合性能的超分子硅辐射制冷涂层。Song 等提出了一种由ZrO2颗粒和耐磨硅丙乳液组成的高效日间辐射制冷涂层，该涂层的太阳光反射率为95.7%，大气窗口发射率为97.8%。Chen等采用SiOx、云母、稀土硅酸盐和钼酸盐功能纳米粒子制得一种具有接近理想选择性发射光谱的辐射制冷涂层。Chen等研究了一种无机磷酸盐聚合物，其大气窗口发射率>95%，太阳光反射率约90%，在耐热性、机械强度和抗强质子辐射方面表现出良好的综合性能。Lu等报道了一种由甲基纤维素基质和无规硅藻土组成的水性涂层，该涂层在0.25~2.5 μm厚度范围内太阳光反射率达94%，8~14 μm长波红外发射率为90%。

1.2  双涂层辐射制冷涂料

为了提升涂层的辐射制冷效果，研究者们进一步开发出双涂层辐射制冷涂料，即底层和顶层分别采用不同功能材料，例如底层采用高大气窗口发射率材料，而顶层采用高太阳光反射率材料。目前，双涂层辐射制冷涂料采用的功能材料主要以TiO2、SiO2、BaSO4和含氟聚合物的复合物为主。

（1）TiO2 和SiO2的复合物。Bao等报道了一种由TiO2+SiO2作为顶部反射层，由TiO2+SiC 作为底部发射层的双层辐射制冷涂层，理论上，其在干燥空气条件下可以实现夜间低于环境温度约17 ℃，而在直接太阳辐射下可低于环境温度5 ℃。另外，Zhao等采用TiO2、SiO2和Si3N4颗粒混合物组成了可扩展的双层辐射制冷涂层，在铝基材上表现出高太阳光反射率（87.6%），红外区域（2.5~15 μm）平均发射率达92%。

（2）TiO2和BaSO4的复合物。Wan等提出了一种由TiO2作为底层，由BaSO4作为顶层的双层辐射制冷涂层，展现出高太阳光反射率（94%）和高大气窗口发射率（96%），与普通白色涂层相比，室内空气温度差异最大可达9.7 ℃。

（3）TiO2、SiO2和含氟聚合物的复合物。Zhao等通过在TiO2/丙烯酸树脂涂料上覆盖SiO2/P（VdFHFP）得到双层辐射制冷涂层，其太阳光反射率达94.0%，平均大气窗口发射率达97.1%。

2. 彩色辐射制冷涂料

出于美学或功能原因，白色通常不适合作为建筑物或其他室外设施的涂料，且高亮度的白色也会带来光污染。然而，由于传统颜料染料的引入会带来额外的太阳能吸收，在不影响其冷却性能的情况下为辐射制冷涂料着色仍然是一大挑战。近年来，研究者们主要通过光致发光、热致变色和结构着色3种策略来实现彩色辐射制冷涂料的着色。

2.1 光致发光着色

彩色辐射制冷涂料的光致发光着色是通过功能材料吸收太阳光后发射出荧光而显色。例如，Xu等报道了可显示黄色、黄绿色、绿色和红色4种颜色的彩色辐射制冷材料，分别采用Y3Al5O12：Ce、Y3 (Al, Ga)5O12：Ce、SrSiO4：Eu和CaAlSiN3：Eu荧光粉进行着色，4种涂层的太阳光反射率均≥90%，大气窗口发射率≥90%，亚环境（指发射体温度低于环境温度的条件）温度可分别降低2.5 ℃、2.7 ℃、2.2 ℃和0.6 ℃。另外，Ma等设计了3种由白色底层和荧光增强的彩色顶层组成的彩色双层辐射制冷涂料，其中顶层着色颜料分别采用Sr2Si5N8：Eu2+、Y3Al5O12：Ce3+和（Ba, Sr）SiO4：Eu2+荧光体，同时将SiO2 微球引入顶层，利用米氏共振的多重散射来提高荧光粉的光致发光性能，从而共同提高顶层的有效太阳光反射率。此外，Ma等设计了一种由ZrO2白色底层和蓝色荧光体（SrO·Al2O3：Eu）超薄顶层组成的淡蓝色双层辐射制冷涂层，太阳光反射率达94%，可实现亚环境温度下降3~4.4 ℃。

2. 2 热致变色

彩色辐射制冷涂料的热致变色着色是通过功能材料在高温下脱褪色以避免吸收太阳光，而在低温下吸收太阳光以显示颜色。例如，Wang等报道了一种由基于光谱选择性多孔聚合物膜底层和基于热致变色微胶囊顶层组成的温度自适应彩色双层辐射制冷涂层，该涂层的颜色可以随环境温度而变化，能够对太阳光反射率进行独立调节，其在高温下变得透明，整体太阳光反射率为91.25%，而在低温下变为玫瑰红色并吸收可见光，这可以将涂层的太阳光反射率降低到72.71%，在夏季涂层的背面温度比传统彩色涂层低7.1 ℃，在冬季其温度则高6 ℃，实现夏季制冷和冬季制热。另外，Guo等设计了一种由PDMS@热致变色染料作为顶层、超白聚四氟乙烯（PTFE）作为底层的彩色双涂层辐射制冷涂料，其中PDMS提供高大气窗口发射率，PTFE提供高太阳光反射率，热致变色染料提供着色，通过调节可见光谱实现自适应彩色辐射制冷功能，该涂层可以分别实现36%~91%和62%~92%的可见光和太阳光反射率的调节。

2.3 结构着色

彩色辐射制冷涂料的结构着色是由光与微/纳米结构的相互作用引起局域表面等离子体共振实现。例如，Jin 等设计了一系列由金属纳米粒子（Ag 和TiO2@Ag核壳纳米粒子）用于结构着色、Y2O3亚微米粒子用于反射太阳光、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）树脂用于红外发射的彩色辐射制冷涂层，基于金属纳米粒子的局域表面等离子体共振可使涂层呈现出各种颜色，同时实现2.0~3.9 ℃的温降和23~47 W/m2的净冷却功率。另外，Zhou等设计了一种可应用于硅光伏组件盖玻片的彩色透明辐射制冷纳米复合涂层，该涂层使用Si@SiO2核壳纳米粒子用于光伏组件的结构着色，PMMA树脂作为透明基质，太阳光透射率>90%，大气窗口发射率>95%。

3. 透明辐射制冷涂料

为了尽量减少白天太阳辐射引起的建筑室内或车内温度升高，建筑窗户或车窗玻璃需要尽可能反射太阳光谱中的近红外光，而可见光应有效传输以实现日光下的透明度，同时能够向外发射长波红外以实现制冷。因此，对可见光透明的辐射制冷涂层的研究逐渐引起了人们的重视。目前，透明辐射制冷涂料的实现方式主要是通过将功能材料负载到透明基底中，所用功能材料有SiO2、Al2O3、PDMS复合物和纤维素纳米晶等。

（1）SiO2。Jung等将介孔SiO2纳米粒子组装进具有渐变折射率的多层堆叠涂料，涂层有高可见光透明度和高大气窗口发射率。相比于未涂覆样品，涂覆该涂料的钙钛矿太阳能电池在室外条件下平均温度降低了（6.65±1.48） ℃。

（2）Al2O3复合物。Zhao等开发了一种由Al2O3颗粒和微孔玻璃框架组成的透明辐射制冷涂料，其中微孔玻璃框架能够选择性发射低温红外光，并具有相对较高的太阳光反射率，而Al2O3颗粒能够强烈散射阳光，这种微孔玻璃涂层即使在中午和晚上的高湿度条件下（80%相对湿度）也能使温度分别下降约3.5 ℃和4 ℃。

（3）PDMS复合物。Li等报道了一种由热发射材料PDMS、透明近红外反射材料TiO2/Ag/TiO2组成的Janus可见光透明辐射制冷涂层（“Janus”用来形容一种材料的2个表面具有不同的化学性质、功能或反应性），涂层外侧可见光透射率为70%，太阳光反射率为40%，大气窗口发射率为94%，而在涂层内侧，大气窗口发射率根据基板（玻璃或近红外反射器）可以为90% 或1%。作者介绍了2 种Janus 涂层，一种Janus涂层的外侧材料为PDMS，中间材料为玻璃，内侧材料为TiO2/Ag/TiO2，其可用于有空调制冷的屋内温度低于墙面温度的环境；另一种Janus涂层的外侧材料为PDMS，中间材料为TiO2/Ag/TiO2，内侧材料为玻璃，其可用于无空调制冷的屋内温度高于墙面温度的环境。与纯玻璃相比，该Janus涂层在实验中实现了平均温度降低14.6 ℃。另外，Jin 等报道了一种由PDMS和垂直多层堆叠Ag/SiO2的平面双曲超材料组合而成的透明辐射制冷涂层（双曲超材料是指介电常数的实部在不同方向符号相反，因而等频线表现出双曲线性特征的一类材料），实现了高可见光透明度（>60%）、太阳光反射率（>89%）和大气窗口发射率（>95%），能够有效地将室内温度降低7 ℃。

（4）纤维素纳米晶。Feng等利用纤维素纳米晶溶液蒸发诱导自组装，在透明聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基材表面构筑了一种透明辐射制冷涂层，不仅具有高透光率（75%），而且表现出高太阳光反射率（95.2%）和红外发射率（96.5%），与PMMA 基底相比，该涂层可以实现日间制冷约15 ℃以及夜间制冷约10 ℃。

4. 结　语

辐射制冷涂料的关键指标为太阳光反射率、大气窗口发射率和实际太阳辐照环境下的降温效果。按颜色可分为白色辐射制冷涂料、彩色辐射制冷涂料和透明辐射制冷涂料3种。按涂层结构可分为单层辐射制冷涂料和双层辐射制冷涂料。白色辐射制冷涂料所用功能材料主要为具有不同结构的SiO2、TiO2、BaSO4、Al2O3、PDMS、含氟聚合物及它们的复合物。由于传统颜料染料的引入会带来额外的太阳光吸收，所以彩色辐射制冷涂料在不影响其制冷性能下的着色是一个难题，采取的着色策略有光致发光、热致变色和结构着色3种方式。对于透明辐射制冷涂料，实现方式是将功能材料负载到透明基质，所用功能材料有SiO2、Al2O3、PDMS复合物和纤维素纳米晶等。

尽管目前辐射制冷涂料研究取得许多里程碑式的成果，但距离实际应用仍有一定距离，未来发展方向需要从以下几方面展开：（1）实际环境下的高制冷效果。目前辐射制冷涂料的制冷效果大都是在测试环境下得到的，而在实际环境下的制冷效果必然会受到一定程度的影响，因此仍需进一步寻找在实际环境下拥有更高制冷效果的辐射制冷功能材料。（2）良好的环境适应性与耐久性。涂料可能被应用到各种特殊环境（高温、超低温、污染性、腐蚀性、紫外线照射等），如何在各种恶劣的环境中持久保持材料性能仍是一项长期的挑战，因此仍需努力开发能够适应各种极端环境并且具有耐用性的辐射制冷涂料。（3）可规模化和低成本生产。针对不同应用场景已有各种类型的辐射制冷涂料报道，但仅仅是实验室的小规模样品制备，对于工业化大规模生产制造仍是一大挑战，并且功能材料的成本也是一个重要的考虑因素，所以发展低成本辐射制冷功能材料及其规模化生产工艺也是未来的重点发展方向。

本文作为参考文献标准著录格式：

林昌庆，林廷睿，程金龙，等. 辐射制冷涂料的研究进展[J]. 涂料工业，2025，55（3）：83-88.

LIN C Q，LIN T R，CHENG J L，et al. Research progress of radiative cooling coatings[J]. Paint & Coatings Industry，2025，55（3）：83-88.

DOI:10.12020/j.issn.0253-4312.2024-355