紅外輻射調控原理及其在熱管理應用中的材料研究進展

何美瑩，岳學杰，張濤，邱鳳仙

（江蘇大學化學化工學院，江蘇 鎮江 212013）

近年來，建筑業的蓬勃發展造成了巨大的建筑能耗。世界上大多數發展中國家（如中國）正在進行城鎮化建設，居民為了提高室內的熱舒適性，在建筑物內部大量安裝且高頻使用供暖、通風和空調系統（HVAC），HVAC 系統不僅會消耗大量能源，而且會導致“凈加熱效應”。而由“凈加熱效應”引發的熱島效應會導致城市制冷能耗增加，電力峰值需求增加，加劇城市熱浪的產生，加速有害霧霾的形成，從而危害人體生命健康與環境安全。據估計，全球建筑能耗約占全球總能耗的40%，其中由HVAC 系統造成的能耗約占全球總能耗的30%，造成的溫室氣體排放量占總排放量的三分之一，若不加以控制，預計到2050 年，建筑能耗造成的溫室氣體排放量將會占總排放量的50%左右。傳統的石化能源利用率較低所造成的能源危機和環境污染問題，迫使人們尋求清潔能源及污染控制的方法。而控制建筑能耗是減少溫室氣體排放量的有效手段之一，其中最關鍵的問題在于減少建筑的保溫和散熱能耗。

目前，實現建筑保溫主要是通過改善建筑圍護結構，如采用巖棉纖維、聚苯乙烯泡沫塑料等墻體材料。此外，還可以縮小目標范圍，瞄準人體織物，通過功能化織物控制人體輻射，進而實現人體與織物之間的熱輻射交換，實現精準的人體熱管理。傳統織物，如棉花、滌綸等，并不具備調節人體輻射的功能，因此可以通過控制織物的光學特性改變織物表面的紅外發射率以調節人體輻射，達到熱管理的目的。個人熱管理織物應該具有與傳統織物相似的柔韌性、抗菌性和透氣性，除此之外，能夠減少/增加人體紅外輻射的散失，甚至提高身體的溫度。降低/升高織物表面的紅外輻射發射率，從而提高織物的紅外輻射性能以實現按需熱管理。實現建筑散熱的途徑主要有：①利用自然界低溫物體（如冰塊和深井水）或設計遮陽、通風等建筑結構，結合建筑地理位置，充分利用自然條件，進行物理降溫，但由于受到地域和時域的限制，無法大范圍使用；②利用冷凝設備（如空調）將室內熱量輸送至室外實現降溫，但此過程消耗大量電力資源，易加劇環境問題。這兩種途徑的缺陷迫使研究人員探尋新的建筑散熱手段。作為對自然冷卻的強化與一種無需能源與資源驅動的散熱方式，被動輻射散熱具有無能耗、無污染、無媒介、操作便捷和經濟等優點，是實現建筑散熱行之有效的方法。建筑被動式散熱是指在不使用機械設備的前提下，通過建筑設計使建筑自身熱量通過熱輻射的形式散發到外太空，實現室內環境舒適的目的。若以被動輻射散熱方式來對建筑降溫，將產生很好的經濟效益和社會效益。然而，關于建筑被動輻射散熱的研究較為薄弱，在很大程度上制約了綠色低碳建筑的發展。因此，選擇合適的輻射保溫或散熱方式，設計所需輻射保溫或散熱材料將成為科研工作者極度關注和亟待解決的重大問題之一。

降低建筑能耗，減少能源浪費迫在眉睫。利用輻射選擇性調控技術對建筑物或人體進行輻射控溫，從而減少電力設備的使用，降低對電力和化石能源的需求，對可持續發展具有重大意義。本文簡要介紹了紅外輻射及輻射選擇性調控的原理，然后綜述了輻射選擇性調控材料在建筑熱管理（透明涂層、顏料涂層和輻射冷卻器等）和人體熱管理（輻射散熱織物、輻射保溫織物和智能輻射織物）中的應用（見表1），最后從輻射調控材料的性能與實際應用相結合的角度展望了未來的研究方向。

表1 紅外輻射調控材料性能匯總

1 紅外輻射調控技術

1.1 紅外輻射

紅外輻射是波長在5～100μm之間的長波輻射，是地球熱量釋放到太空的帶寬。太陽輻射是波長小于5μm 的短波輻射，即太陽光對地球的輻射。在地球大氣的電磁波波段8～13μm范圍內存在著一個“大氣透明窗口”，在該波段區域內大氣輻射非常弱，地球上所有溫度高于絕對零度的物體都可以發射紅外輻射并通過該窗口將熱量直接輻射至外太空（約0K），從而實現被動輻射散熱，而在此波段范圍之外，大氣具有高發射率。同時，環境溫度下熱輻射峰值的波長區域與大氣窗口波段重合。根據熱力學第二定律，熱量可以自發地從高溫熱源傳遞到低溫熱源。因此，將地球周圍的環境作為一個高溫熱源，外太空作為低溫熱源，那么地球上的物體就可以通過大氣窗口將熱量自發且源源不斷地輻射至外太空，從而實現被動輻射散熱。與能耗較大的主動散熱技術不同的是被動輻射散熱技術不需要消耗額外的電力，只要物體的溫度高于外太空的溫度，熱量即可通過大氣窗口發射紅外輻射實現散熱。輻射散熱技術的應用能夠節省大量的能源，減少傳統空調使用的制冷劑所產生的含氟溫室氣體，從而改善空氣質量，有利于保護人體健康。

1.2 紅外輻射選擇性

近年來，研究者設計了一些高紅外發射率的材料。然而，僅僅依靠紅外輻射散熱也有其局限性。在夜晚，高紅外發射率即可實現輻射散熱，而在白天，輻射散熱的關鍵因素在于太陽輻射，而非紅外發射。由于入射太陽輻射和物體表面紅外發射功率的巨大差異，單一的高紅外發射率的材料通常很難抵消太陽吸收，僅限于夜間使用。在白天，除了高紅外發射率，還應當要求材料具有高太陽反射率。為了實現全天候的輻射冷卻，必須盡量減少太陽吸收和最大限度地增加紅外發射。因此，研究人員設計并使用兼具高太陽反射率和高紅外發射率的結構，同時調控太陽輻射和紅外輻射從而實現建筑降溫。

輻射選擇性是指輻射體在發射紅外熱輻射的同時防止吸收太陽輻射的能力。輻射選擇性調控，即設計物體的光譜結構在可見光波區具有高反射率以阻擋太陽輻射（300～3000nm），同時在“大氣窗口（8～13μm）”具有高發射率以使物體內部的熱量能通過大氣窗口輻射出去，實現被動散熱。如果輻射體大量吸收太陽輻射，就很容易降低輻射散熱的性能。因此，為了減少太陽輻射的吸收，可在紅外輻射體上設計太陽反射結構，在不影響紅外反射率的同時增強太陽反射，以減少輻射體對太陽輻射的吸收。目前，實現輻射選擇性調控的材料主要有兩種：亞微米結構材料和納米顆粒。亞微米結構本身可以反射太陽輻射，同時其在大氣窗口是透明的。納米顆粒在可見區域是透明的，但當其顆粒尺寸小于光的波長時可以變成散射材料。

2 輻射調控材料在建筑熱管理的應用

大多數輻射選擇性調控材料具有高紅外輻射率。建筑物的能量負荷來源于多個方面，包括建筑圍護結構（窗戶、墻體和屋頂）吸收的太陽熱量、居住者和照明產生的熱量等。當陽光照射到建筑物表面時，部分會被表面吸收，導致建筑物表面溫度的升高。因此通過改進建筑圍護結構表面材料以增強近紅外波段的反射率，減少對太陽熱量的吸收，有效屏蔽一部分太陽輻射，減少建筑物表面積聚的熱量，從而降低由建筑散熱所造成的能量損耗，間接地減少大氣中二氧化碳排放，降低城市熱島效應，提高城市居民生活的熱舒適性。

2.1 透明涂層

建筑物中有很大一部分熱量是通過窗戶進行輻射傳遞的。普通玻璃對整個太陽輻射光譜都是透明的，不能阻擋室外的熱量輸入，因此制備具有高可見光透過率和較好的近紅外屏蔽能力的透明隔熱膜或涂層，以調節陽光在室內的熱量傳遞，從而適度地減少空調或供暖所帶來的能耗，是提高建筑節能效率的有效途徑。節能窗戶能充分利用陽光輔助室內照明，還能阻擋來自外部的紅外熱輻射，既節約了空調的耗電量，又節約了照明的耗電量。與智能窗戶相比，節能窗戶不需要外部能量供應，顯示出了極大的優勢。

2.1.1 無機氧化物材料

透明導電氧化物（TCO），如氧化鋅（ZnO），具有低太陽吸收、高可見輻射色散和高紅外反射等優異的光學性能，受到了研究人員的廣泛關注。不同形貌的ZnO粉末（如針狀、花狀等）可以實現不同的紅外發射率，然而各種形貌的調控需要復雜的制備工藝。因此為了簡化工藝，研究者在透明導電氧化物中摻入一些金屬半導體元素以提高自由載流子濃度，從而實現高效的輻射散熱。例如，Sun等采用直流磁控濺射法在玻璃表面直接沉積低發射率的摻Al 的ZnO 涂層，在最優沉積條件下，該涂層有最低發射率（41%）和高透射率（81.8%），作為窗戶透明涂層不僅能夠實現輻射散熱，而且能滿足透光的需求。Shen等采用雙滴定共沉淀法合成了具有近紅外屏蔽性能的Sb摻雜的SnO（ATO）涂層。使用ATO 涂層的玻璃能反射76%的近紅外輻射，比普通石英玻璃具有更優異的太陽屏蔽性能。將透明導電氧化物和高紅外反射率的貴金屬薄膜復合可以在增強紅外反射率的同時提高可見光的輻射通量。Wei 等采用簡單的水熱法在石英玻璃上制備了垂直排列的ZnO 納米棒/Ag 復合膜[見圖1(b)]。銀的加入增強了反射性能，使其在中紅外區具有高反射率（90%）。Dang 等制備了高可見光透射率（87.1%）、高太陽紅外反射率和低長波發射率的ZnO/Ag/ZnO 薄膜，通過改變各層的厚度能夠調節透光率和紅外反射率，將其應用于玻璃內側涂層可比傳統的二氧化硅玻璃節省9.6%的能源消耗。透明導電氧化物基于紅外波段的高反射率或低發射率調控太陽光以實現輻射散熱的效果，然而他們的可見光透過率并不理想，影響實際應用，因此構建元素摻雜或電介質/金屬/電介質（DMD）結構的無機氧化物基材料既可以在紅外波段調控太陽光，又可以提高可見光透射率，實現在節能窗上的廣泛應用。

圖1 透明涂層材料的結構及機理示意圖

2.1.2 聚合物基材料

與無機材料相比，有機聚合物材料更耐腐蝕且易于大規模制作，因而獲得了人們更多的關注。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一種高透光性熱塑性材料，被廣泛應用于玻璃替代品。Dong等采用乳液聚合法通過PMMA封裝TiO來提高近紅外反射率[見圖1(a)]，封裝后的TiO涂層比裸TiO涂層的太陽紅外反射率高7%～10%，其最高溫差為11.2℃。Yao等將CsWO（CWO）納米粒子分散于PMMA基體中，制備了一種具有高可見光透過率（＞70%）和高近紅外反射率（90%以上）的納米復合材料。聚環氧乙烯（PEO）只有C—C鍵、C—O鍵和C—H鍵，具有理想的選擇性吸收帶。Li等通過靜電紡絲工藝設計了一種聚環氧乙烷納米纖維基（PEO）薄膜，由于其光子結構特性和無數納米纖維的相互纏繞，其在可見光譜區表現出高反射率（96.3%），在中紅外區有選擇性發射率（78%）。與非選擇性熱發射體相比，該選擇性熱發射體的降溫效果提高了3～5℃，具有出色的全天候輻射冷卻性能。此外，聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其在可見光波段的透明性和寬頻帶的強紅外發射率，是一種很有前途的廉價的選擇性輻射調控材料，其性能優于一些復雜的納米光子結構。Zhou等采用快速溶液鍍膜工藝在鋁（Al）基板上制備出一種平面聚二甲基硅氧烷（PDMS）/金屬熱輻射體薄膜，其平均冷卻功率為120W/m，在室內和室外分別實現了溫度降低9.5℃和11.0℃。Zhao 等基于PDMS 的多孔結構制備了一種動態多孔雙功能硅膜[見圖1(c)]。多孔硅膜在機械力的作用下可以實現用于陽光加熱的透明固體狀態和用于輻射冷卻的高多孔狀態之間的切換，在多孔狀態下可以反射93%的太陽輻射，使溫度降低5℃；在透明狀態下該材料可以吸收95%的太陽輻射，使溫度升高18℃。該動態雙功能硅膜將太陽能供暖與太陽反射和輻射制冷相結合，可以實現冬季供暖和夏季制冷。也有研究者將聚合物與無機貴金屬結合制備透明涂層。例如，Lin 等在常溫常壓下使用噴壺直接在玻璃基板上噴涂銀納米線/聚乙烯醇丁縮醛（AgNWs/PVB）得到一種高度透明的涂層[見圖1(d)]，該涂層保持了較高的可見光透過率（83.0%） 和增強的紅外反射率（69.8%），能夠有效阻隔紅外輻射。高透光性聚合物材料具有優異的紅外輻射特性，此外，它們的制備工藝相對簡單，能夠實現大規模生產，滿足實際生活需要，在輻射散熱領域顯示出極大的應用潛力。但是，考慮到應用需求，未來的聚合物基材料還應該考慮涂層的抗污染性以及使用的耐久性等問題。

2.2 輻射冷卻器

2.2.1 光子結構

光子結構幾乎可以反射所有的入射太陽輻射，同時在中紅外發射顯著的熱輻射。二氧化硅在大多數太陽輻射波長范圍內都是透明的，同時在8～13μm 的波長范圍內也表現出很強的聲子極化激元共振響應，這使得它能夠實現相對較強的熱輻射率。Zhu 等采用光刻法和蝕刻法在硅襯底上制備了一層二氧化硅光子晶體，能夠將襯底的溫度降低13℃。在陽光直射下的輻射冷卻可以通過設計多層結構來實現，這種結構可以在紅外大氣透明窗口中實現高發射，同時反射可見光。例如，Yao 等提出了一種SiO/SiN多納米層雙波段選擇性輻射體[見圖2(a)]，可以分別滿足紫外和中紅外光譜范圍內不同的要求，平均發射率可以達到80%，在陽光直射的情況下，能使散熱器的溫度降低11℃。該光子結構輻射體不僅改善了傳統金屬反射器在紫外波段附近的低反射性能，而且提高了中紅外波段發射率峰值的帶寬。Raman等利用高折射率的二氧化鉿（HfO）和低折射率的二氧化硅（SiO）制備出一種多層納米光子結構輻射冷卻器[見圖2(b)]，平均散熱功率為40.1W/m，能夠反射97%的入射太陽輻射，使環境溫度降低4.9℃。二氧化硅由于其聲子-極化子共振，在9mm附近有一個很強的吸收峰。二氧化鉿也具有非零吸收，因此在大氣透明窗口范圍內實現發射。通過材料特性和干涉效應的結合，實現了高太陽反射和強紅外發射。但是在實際的生產和應用中，二氧化鉿的價格比較昂貴，可以用廉價的二氧化鈦代替。為了獲得更加優異的機械堅固性和更長的使用壽命，Chae等采用真空沉積工藝，以AlO、SiN、SiO三種化學惰性無機材料和金屬Ag 層制備了一種具有光譜選擇性的全無機基多層輻射散熱器，其在大氣窗口（8～13μm）的平均紅外發射率高達87%，在太陽光譜區（0.3～2.5μm）的平均吸收率低至5.2%，可將環境溫度降低8.2℃，有效地實現建筑的輻射冷卻。不同光子結構的堆疊可以擴大光譜吸收帶范圍，并且可以通過改變結構中每一層材料的厚度來改變輻射冷卻器的紅外輻射特性，易于加工和整體優化。然而，多層結構材料制備工藝相對復雜，因此制作成本相對較高，為了實現大規模生產和應用，未來應盡可能優化材料的選擇，減少材料成本，促進其生產工業化。

圖2 輻射冷卻器材料的結構及機理示意圖

2.2.2 有機物基材料

利用光子結構設計的輻射冷卻器往往結構比較復雜，許多研究者們開發并研究了有機物基輻射冷卻器及其輻射性能。例如，Yuan 等研究了聚甲基戊烯超材料的輻射冷卻情況。研究發現，該材料具有高太陽反射率（96%） 和高紅外發射率（93%），其在白天的輻射冷卻功率為15～100W/m，可以將溫度降低2～14℃。基于PDMS的高紅外發射率，Kou 等以PDMS 薄膜、銀薄膜和熔融硅片制備了一種聚合物-硅鏡輻射冷卻器。在環境溫度下，該冷卻器的平均凈冷卻功率約為127W/m，能夠將溫度分別降低8.2℃（白天）和8.4℃（夜晚）。Xiang等采用反相工藝和自動沉積相結合的方法，以三維多孔醋酸纖維素（3DPCA）為基質，開發了一種全天候高效輻射冷卻器。3DPCA 表現出高太陽反射率（96%），最大限度地減少太陽的熱量輸入；自沉積的SiO結構作為紅外熱輻射器，表現出高紅外反射率（95%），以最大限度地提高紅外輻射輸出，二者相結合可以使環境溫度降低6.2～8.6℃。多孔結構中的光散射空氣孔洞，不僅可以將太陽反射率提高到超高水平，而且可以避免顏料所帶來的環境成本。金屬有機框架作為一種晶體多孔材料，具有高比表面積和結構多樣性。Kang等采用液相自組裝的方法，以甲基硅樹脂作為膠黏劑、氧化鋅（ZnO）納米粒子作為鋅源，與2-甲基咪唑反應制備了具有高太陽反射率和強紅外發射率的多面體的ZnO@ZIF-8 聚合物涂層[見圖2(c)]。ZnO@ZIF-8 聚合物涂層的多面體形貌和無取向孔隙顯著增強了太陽光的散射，與純氧化鋅相比，有效地提高了涂層的太陽反射率。該聚合物涂層在大氣窗口（8～13μm）的太陽反射率為90%，紅外發射率為95%。即使在無輻射換熱條件下，在1000W/m的太陽強度時，該涂層表面的溫度也比襯底表面的溫度降低7.6℃。與聚合物透明涂層所不同的是，聚合物基輻射冷卻器不需要考慮可見光透過性，因此可以選擇具有高紅外反射率的聚合物材料設計輻射冷卻器，選擇性地復合貴金屬或無機氧化物以進一步提高或增強紅外反射率，能夠實現高效的輻射散熱。

2.3 無機顏料涂層

白色涂料可以反射大部分入射太陽輻射而讓紅外輻射通過。因此，使用白色涂料作為建筑外部涂層，在提升建筑整體顏色美感的同時能夠發揮涂料的紅外反射性能以節省能源，為建筑物降溫。二氧化鈦（TiO）和二氧化硅（SiO）具有優良的白度和較高的太陽反射率，是降溫涂層中應用最廣的無機材料。Bao 等在鋁基材表面制備得到TiO+SiO涂層[見圖2(d)]。該涂層能反射90.7%的太陽輻射，紅外發射率達到90.11%，可使鋁箔表面溫度降低5～8℃。Bao等采用溶劑熱法和煅燒工藝制備了一種三維空心球狀SiO@TiO涂層，多個不同功能的組分協同作用，實現冬暖夏涼。然而，白色涂料容易受到環境污染，表面黏附雜質顆粒后會影響紅外性能。利用具有高太陽反射率特性的著色劑代替普通顏料，可以極大地改善普通顏料的太陽反射性能，因此研究者們開始尋求一些具有優異的紅外性能的顏色涂料。Meenakshi 等采用簡單的水熱法制備出一種淡黃色的鈦酸鉍（BiTiO），將其均勻分散于丙烯酸樹脂中，制得高紅外反射率（95%）的BTO 涂層。該涂層可以將基板溫度降低近10℃，相比于傳統的白色TiO涂料，黃色BTO涂層表現出更加優異的紅外性能。LaMoO是化學穩定的，并且不含有害的重金屬元素，是一種環境友好型無機顏料。Han等基于丙烯酰胺凝膠技術合成了一種鐵摻雜的納米LaMoO無機黃色復合物顏料，三價鐵離子替代化合物中部分六價鉬，使化合物的顏色由白色變為亮黃色，實現了61%～75%的近紅外反射率，可以將室內溫度降低4.5℃以上，紅外性能遠遠高于相同顏色的傳統材料。

2.4 其他材料

在復合氧化物中摻雜離子是提高復合氧化物近紅外反射和紅外輻射性能的有效方法之一。Ran 等以鎢酸鈉和硫酸鉀為原料，采用溶劑熱還原法制備了具有優異近紅外屏蔽和隔熱性能的Pt摻雜KWO納米棒。Ma 等采用熔融鹽合成法（MSS）在低溫常壓條件下成功合成了Fe 摻雜的斜方釔礦YMnO涂層，發現增加鐵離子摻雜量能夠增強自由載流子吸收從而提高涂料的紅外發射率，制備的涂層在大氣窗口（8～13μm）波段的最高紅外發射率達到98.7%。木材由于其經濟性和環保性，已成為一種重要的可持續建筑材料。Li等通過完全去木質素化、機械加壓制得一種高紅外反射率的“冷卻木材”。該冷卻木材在夜間的平均輻射冷卻功率為63W/m，平均溫度能夠降低9℃，在白天的平均輻射冷卻功率為16W/m，平均溫度能夠降低4℃。由于冷卻木材在紅外波段的發射率高，通過大氣窗口向外太空輻射的熱通量超過了吸收的太陽輻照度，能夠實現全天候的被動輻射冷卻。透明木具有透光率高、光學霧度可調、隔熱性能好、沖擊能量吸收高、功能化潛力大等優點，也是一種很有發展前途的建筑材料。Jia 等通過去除天然木材中的木質素和半纖維素，然后向其內部滲透環氧樹脂，開發出一種具有優良隔熱性能和光學性能的“透明木材”復合材料。脫木質素后的木材經過劇烈的搖動后很容易分解為納米纖維素材料，具有豐富的孔狀結構，環氧樹脂滲透到孔中，形成致密的結構，極大地削弱了光在透明木材中的散射，從而產生了高透光率和超低霧度。透明木材在可見光譜中具有高透光率（90%），與普通玻璃相當。透明木材優異的光學性能、低熱導率和良好的機械性能使其成為一種有潛力的建筑材料，其應用可以大大提高住宅和商業建筑的能效。

3 輻射調控材料在人體熱管理中的應用

人體熱管理，即直接對人體加熱或冷卻，目標范圍小，不需額外輸入能量加熱或冷卻人體所在的整個環境空間。人體熱管理的目標是在夏季增強輻射耗散，在冬季抑制輻射耗散。人體熱管理分為散熱和保溫兩種形式。人體熱傳遞的途徑包括熱傳導、熱對流和熱輻射，其中，熱輻射是人體熱量散失最主要的傳遞方式，占人體總熱能傳遞的40%～60%。因此，設計織物表面結構實現人體熱管理已成為近年來研究的熱點之一。目前各種人體熱管理材料被開發出來，如金屬納米線涂層紡織品、可穿戴加熱器、仿生熱管理織物等。

3.1 輻射散熱織物

人體皮膚是一個很好的紅外發射體（發射率為98%），在室內，人體正常皮膚表面溫度約為33.5℃，發出波長范圍為7～14μm的中紅外熱輻射，占人體總熱量損失的50%以上。散熱織物可以將紅外輻射傳導到遠離人體的地方，散熱織物的目標是將人體熱輻射盡可能多的輻射出去。聚合物薄膜本身不具備普通織物的透氣性和舒適性，不宜作為可穿戴織物材料。然而將聚合物制成納米纖維材料，引入光散射粒子，不僅可以賦予它與普通織物類似的可穿戴性，同時還提高了輻射散熱能力。Xiao 等利用聚酰胺6（PA6）納米纖維和隨機分布的SiO亞微米球制備了一種具有紅外共振吸收能力輻射增強的PA6/SiO納米纖維膜[見圖3(a)]，該纖維膜相比于普通人體織物能夠將人體手部皮膚降低0.4～1.7℃，并且具有良好的透氣性和熱舒適性。Peng等將聚乙烯溶解于石蠟油混合形成高黏度均質溶液，采用工業擠出機連續擠出形成微尺度纖維之后，再用二氯甲烷萃取油相，得到納米聚乙烯纖維。與同等厚度的商用棉織物相比，納米聚乙烯織物具有巨大的散熱能力，可使人體皮膚溫度降低2.3℃，相當于室內降溫能耗降低20%以上。近年來，許多仿生材料被研究報道。Wu 等模擬撒哈拉銀蟻毛發的光子結構，在PDMS上制備了柔性光子結構，可使玻璃瓶的溫度降低5.6℃。Yang 等受北極熊毛皮啟發，利用PDMS和聚乙烯制備了一種“冷卻皮膚”，其太陽反射率高達96%，能夠將溫度降低5～6℃。Zhang等受到天牛甲蟲絨毛的啟發，研制出了一種由PDMS聚合物基體和隨機AlO陶瓷顆粒組成的光子薄膜。該薄膜能反射95%的太陽輻射，紅外發射率達96%以上，有效冷卻功率約為90.8W/m，在陽光直射下溫度能夠下降高達5.1℃。目前，用于人體散熱的新型織物的研究較為成熟，Zeng 等制備出一種超材料散熱織物，不僅具有優異的散熱效果和柔性可穿戴性能，而且克服了以往聚合物透氣性差的缺點，具有低成本、綠色環保和可規模化生產的優勢。相比于傳統的散熱方式（如空調），輻射散熱織物能夠實現對人體溫度的精準調控，減少電力設備的使用，節省大量的能源。

圖3 輻射散熱織物、保溫織物及智能輻射織物的結構及機理示意圖

3.2 輻射保溫織物

保暖是人類的基本需求。實現人體保暖的傳統方法是增加織物的厚度，使其捕捉更多的空氣，以提高保溫性能。金屬納米線涂層的可穿戴織物，具有與普通織物相似的透氣性、抗菌性、舒適性，同時能夠反射人體發出的紅外輻射，從而達到保暖的效果，降低不必要的建筑能耗，節約資源。近年來已報道多種用于人體熱管理的輻射保溫可穿戴織物。碳納米管（CNT）具有極大的長徑比、優異的機械強度以及良好的導電導熱能力，是一種理想的柔性導電材料。Yue 等采用泡沫整理工藝和磁控濺射技術制備了一種多孔Ag/纖維素/碳納米管（CNT）復合納米纖維膜[見圖3(c)]，最大限度地減少人體的輻射熱量輸出，提供輻射增溫。同時，銀層可以作為加熱器，在低電壓下產生快速的熱響應和均勻的電加熱為人體增暖。Qiu 等采用靜電紡絲法制備出一種能夠實現快速加熱升溫的紅外輻射加熱織物（IRHF）[見圖3(b)]。利用復合碳納米纖維與紅外輻射納米粒子的永久自發極化特性，該紅外輻射加熱織物在30V 的電壓下經過1min 可以從室溫升至43℃，電熱轉換效率高達78.99%。氣凝膠作為一種具有連續三維納米孔網絡結構的新型多孔材料，具有高比表面積、孔隙率和低密度等優良特性。具有超高孔隙率和超低密度的氣凝膠纖維是很有前途的個人熱管理材料，在減少能源浪費方面發揮著重要作用。Wang 等利用同軸濕紡絲和冷凍干燥技術制備了具有高強度、優異的輻射加熱性能和隔熱性能的絲素/氧化石墨烯氣凝膠纖維（SF/GO）。其在紅外輻射照射30s 后，表面溫度提高了2.6℃，能顯著提高紅外輻射的加熱性能。人體熱管理中實現保溫主要有兩種策略。一是減少人體的熱損失。通過設計織物表面結構使其將人體發出的紅外輻射反射回去，減少人體熱量的散失，但是這種織物的保暖效果不夠理想。二是在紅外輻射材料的基礎上添加外部條件（如電壓）對人體主動加熱以提高皮膚溫度。這種策略提出了一種可穿戴移動輻射保溫設備，能夠更加有效地實現輻射保暖，但是也存在著制備復雜、結構不穩定的缺點，未來應該朝著可穿戴、集成化、便攜的方向發展。

3.3 智能輻射織物

除單一性能的輻射保溫和輻射散熱材料之外，一些研究者也致力于開發兼具輻射保溫和輻射散熱性能的雙功能輻射選擇性調控材料，這種雙模式織物有助于滿足人們在不同環境和生理條件下的需要，其智能輻射機理如圖3(e)所示。例如，Hsu等在厚度不對稱的納米聚乙烯層中嵌入熱輻射體（炭黑和貴金屬）制備了一種既保溫又散熱的雙模式織物[見圖3(d)]。該雙模織物不需要外部能量輸入，通過翻轉即可改變其輻射特性，從而改變傳熱系數，實現加熱和冷卻模式的切換，更好地適應室內外環境溫度。Janus 膜通過優化表面結構和化學成分能夠實現雙側不對稱特性。Gu 等采用逐層組裝工藝和磁控濺射工藝制備了兩面具有非對稱輻射特性的可穿戴Janus MnO復合膜。在3～18μm 波長范圍內，其中一側的平均紅外反射率可達81.6%，而另一側表面粗糙的紅外反射率較低，約為39.5%。Qiu等采用磁控濺射工藝分別在織物的兩側沉積氮化鋯（ZrN）納米粒子和二氧化鈦（TiO）制備了一種具有光熱轉換（加熱模式）和太陽熱屏蔽（冷卻模式）能力的Janus織物。該Janus織物在冷卻模式下能反射近90%的太陽輻射，使溫度降低22℃，在加熱模式下能吸收約70%的太陽輻射，使溫度升高22℃。Song等設計了一種由聚偏氟乙烯納米纖維/氧化鋅納米片/碳納米管/銀納米線/聚二甲基硅氧烷多層結構組成的功能可切換的Janus薄膜。在冷卻模式下，Janus 膜的高紅外發射率（89.2%）和太陽反射率（90.6%），可將環境溫度降低8～11℃；當切換到加熱模式時，薄膜具有較高的紅外反射率（89.5%）和太陽吸收率（74.1%），可將環境溫度升高4℃～12℃。智能輻射織物通過設計織物兩側不同結構的紅外發射率調控人體紅外輻射，通過翻轉織物即可實現輻射散熱或輻射保暖的雙重效果，保持人體熱舒適的同時擴大了紅外輻射織物的控溫范圍，具有較大的應用潛力。未來研究中還應該進一步優化結構，從柔韌性、抗菌性、循環使用性等多方面提升輻射冷卻材料的各項性能。

4 結語

作為一種很有前景的控溫技術，輻射選擇性調控技術將在未來發揮更重要的作用，以減少太陽能進入建筑的熱量，降低建筑能耗。在全球氣候變化和快速城市化的背景下，由于能源短缺和環境惡化，輻射選擇性調控材料的發展將會更加迅速，本文認為可以從多個方面發展紅外輻射調控材料。

（1）進一步探索調控輻射材料紅外發射率的方法。如不同性能的材料在一定的波段范圍表現出不同的發射率，將多種材料整合得到效果明顯倍增的輻射材料，以提升輻射材料的輻射率。

（2）對紅外輻射材料進行技術改進。目前的一些紅外輻射選擇性調控材料在應用上存在著一定的限制。例如，建筑物表面長期暴露于外部環境中，久而久之會受到環境的影響，如雨水沖刷、顆粒物沉積等，從而對材料表面的紅外反射率產生負面影響。將功能不同的材料進行整合，使建筑熱管理紅外輻射材料朝著高效、自清潔、無毒害、抗菌、美觀等方面發展。

（3）將紅外輻射材料與實際應用相結合。如建筑熱管理材料應用光催化劑實現自身降解建筑表面的污染物。可穿戴織物除了熱管理能力外，還應考慮其耐磨性、透氣性、排汗性、抗菌性以及著色等性質。

（4）紅外輻射材料也可以與柔性電子設備集成，打造新一代智能紅外輻射材料，如智能輻射傳感設備、智能可穿戴織物等，實現熱舒適、傳感、電子控制等多種功能。