PDMS基辐射制冷/相变薄膜的性能及其建筑热管理特性研究

Study on properties of PDMS-based radiative cooling/phase change films and their building thermal management characteristics

摘要

被动辐射制冷材料可有效提升建筑的日间辐射制冷性能，从而降低建筑的制冷能耗。但其应用仍存在夜间和冬季过冷的问题，为此，本文将相变材料与辐射制冷材料耦合制备具有辐射制冷与相变热管理协同调控的建筑用材料。首先以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为辐射制冷基体，六方氮化硼（h-BN）为光学填料，石蜡（PW）为相变材料，制备PDMS/h-BN@PDMS/PW双层复合协同调控薄膜（RC@PCM）。结果表明，RC@PCM薄膜的太阳反射率为0.926（可见光波段为0.958），大气窗口发射率为0.940；在880 W/m²的太阳光直射下实现了最高20 ℃温降，相变材料使夜间平均温升1.15℃，全天候瞬时制冷功率最大为140 W/m²；冬季相变材料也能日间储存一定热量，使得夜间温升维持在1~3 ℃之间，最高可达2.7 ℃，有效缓解了过冷问题，拓宽了辐射制冷技术的应用，实现建筑的全天候热管理。

Abstract

Passive radiative cooling materials can effectively enhance the daytime radiative cooling performance of buildings， thereby reducing their cooling energy consumption. However， their application still suffers from overcooling at night and in winter. To address this issue， this study integrates phase change materials （PCMs） with radiative cooling materials to develop a building material capable of synergistic regulation of radiative cooling and phase change thermal management. Using polydimethylsiloxane （PDMS） as the radiative cooling matrix， hexagonal boron nitride （h-BN） as the optical filler， and paraffin wax （PW） as the phase change material， a dual-layer composite synergistic regulation film （RC@PCM） composed of PDMS/h-BN@PDMS/PW was prepared. The results show that the RC@PCM film achieves a solar reflectance of 0.926 （with 0.958 in the visible range） and an atmospheric-window emissivity of 0.940. Under direct solar irradiation of 880 W/m²， a maximum temperature reduction of 20 °C is achieved. The incorporated phase change material raises the average nighttime temperature by 1.15 °C， with the maximum all-weather instantaneous cooling power up to 140 W/m². In winter， the phase change material can store solar heat in daytime， keeping the nighttime temperature rise within 1–3 °C with a peak value of 2.7 °C， thereby effectively alleviating overcooling. These findings broaden the applicability of radiative-cooling technology and enable all-day thermal management for buildings.

Graphical abstract

关键词

辐射制冷 / 相变材料 / 热缓冲 / 建筑热管理

Key words

radiative cooling / phase change materials / thermal buffering / building thermal management

近年来，全球变暖问题日益严峻，建筑制冷能耗急剧攀升，传统制冷技术消耗能源的同时还会进一步加剧全球变暖问题^［1-3］。因此，探究新型的制冷技术成为建筑节能领域的研究热点。辐射制冷（RC）是一种通过8-13 μm大气窗口向外太空发射热量以及在紫外-可见-近红外（0.3~2.5 μm）波段内具有高太阳反射的被动制冷技术^［4］，而将辐射制冷应用在建筑围护结构上，其零能耗、零排放的优势成为降低建筑能耗的有效手段^［5-6］。聚合物基辐射冷却材料因其在低成本、大规模生产和适用性方面的吸引力而引起了人们越来越多的关注。此外，聚合物材料由于其在红外区域的高发射和在太阳光谱中的低吸收，被认为是日间辐射冷却的良好候选材料^［7-8］。而其中的聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其含有Si-O官能团而具备高发射率，被广泛应用在辐射制冷领域^［9］。范婷婷等^［10］通过物理混合制备了PDMS/ZrO₂辐射制冷薄膜，并在其表面喷涂PDMS/SiO₂制备了一种PDMS/ZrO₂/SiO₂疏水辐射制冷薄膜，薄膜的太阳反射率为0.95，发射率为0.9，并在太阳直射下，可实现低于环境温度9.99 ℃的温降效果。吴万春等^［11］提出了一种由氧化物-金属-氧化物和PDMS组成的仿生辐射制冷薄膜，研究结果表明，将其应用于光伏组件可降低设备7.2 ℃。明廷臻等^［12］设计了一种PDMS/Al的辐射制冷冷却器，实现了3.9~13.1 ℃的全天降温，最大制冷功率为76.8 W/m²。江清阳等^［13］用一种简易的表面织构方法制备具有微结构表面的PDMS薄膜（SH-PDMS），该薄膜的发射率接近0.97，同时户外日间测试结果显示，表层具有SH-PDMS薄膜的光伏组件比原始组件温度降低1-1.5 ℃。范维维^［14］等制备了一种PDMS/HGM（中空玻璃微球）辐射制冷涂层，其太阳光反射率和发射率分别为0.88和0.95，日间亚环境降温为8.1 ℃。

尽管上述研究显著提升了RC材料的日间性能，但在夜间和冬季易产生建筑“过冷”问题，导致建筑冬季供暖负荷增加，从而削弱全年节能效果。此外，RC材料多依赖光学结构的被动调控，缺乏应对复杂气候环境的自适应能力。因此，如何兼顾建筑夏季制冷与冬季保温，实现全天候建筑热管理，仍是RC技术走向应用的关键挑战^［15］。为此，有研究者提出将相变材料（Phase Change Material， PCM）引入辐射制冷，通过PCM的潜热吸收和释放，实现温度波动的缓冲和热流的动态调节。将PCM与RC耦合可以弥补各自的不足，使建筑的围护结构具备优异的隔热和储热能力，从而最大程度降低建筑能耗^［16-17］。在日间，最外层的RC可以反射一部分太阳辐射，使PCM不过早融化，从而充分发挥其储热特性；在夜晚，RC可以加快PCM的放热过程，有效解决PCM夜间放热不完全的问题^［18］。

近年来，已有学者对屋顶和墙体中RC与PCM的耦合应用进行了研究。Yang等^［19］在房屋屋顶中结合PCM，并在屋面表层涂上一层反射率为0.47的白色水漆，开发了一种PCM冷却屋顶。研究表明，在冬季、过渡季节和夏季，使用这种屋顶的房间屋顶表面温度分别降低了2.5 ℃、4.7 ℃和5.7 ℃。张怡雪^［20］搭建了传统屋顶、RC屋顶、PCM屋顶和RC-PCM屋顶这4种不同类型的屋顶，研究了它们的隔热性能和节能效果。结果表明：相较于传统屋顶，其他3种屋顶均有效地减小了室内温度波动，尤其是RC-PCM屋顶，能降低室内峰值温度6.6 ℃，节能率达到52.9%。吴智昊^［21］等分析了7种已商业化相变材料耦合辐射制冷材料应用在屋面的热性能。结果发现，相变材料耦合辐射制冷材料比传统相变屋面节省159%的空调能耗。上述研究表明将PCM与RC耦合应用于围护结构可以有效控制建筑室内温度并减少建筑能耗。

基于此，本研究选用高红外发射的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基底和高太阳反射率的六方氮化硼（h-BN）纳米片^［22］制备辐射制冷层，同时为了应对阳光和周围环境的高温，需要选择合适的相变材料以满足温度调控的要求。考虑到人体舒适温度在24~26 ℃，但围护结构的表面的温度一般高于室内，选择相变温度为26~32 ℃的石蜡作为相变材料^［23-24］，并用PDMS对其进行封装，可以在围护结构表面温度超过舒适区并威胁到室内负荷时发挥作用。将辐射制冷材料和PCM耦合得到辐射制冷复合相变材料的双层结构薄膜（RC@PCM）。通过室内模拟光源探究了RC@PCM的性能，并通过户外实验证实了RC@PCM的辐射制冷及全天候热管理性能。

1 材料制备与表征

1.1 实验材料

本研究所用实验材料如表1所示。

1.2 辐射制冷复合相变材料的制备

首先称取一定量的乙酸乙酯溶液，将预先称量的h-BN粉末加入其中并充分分散.随后加入预定比例的PDMS预聚体和固化剂，其中EA：PDMS预聚体：PDMS固化剂： h-BN的质量比为5：10：1：4.7，搅拌均匀后将混合物倒入模具.将模具置于60 ℃恒温箱中1 h，促使乙酸乙酯挥发并完成PDMS的半交联固化，得到半固化的PDMS/h-BN.然后称取一定量PW置于另一烧杯中，于50 ℃水浴加热至完全熔融.随后加入预定比例的PDMS预聚体和固化剂，PW：PDMS预聚体：PDMS固化剂的质量比4.7：10：1，搅拌均匀后倒入盛有半固化PDMS/h-BN的模具中，并置于60 ℃恒温箱中交联固化2 h，即可获得双层结构的RC@PCM。上述两层材料均以PDMS为基体，能够良好黏合，形成双层结构复合薄膜（RC@PCM）。所制备的RC@PCM整体厚度为6 mm，其中PDMS/h-BN厚度为2 mm，PDMS/PW厚度为4 mm。制备流程如图1所示。

1.3 材料性能表征

形貌表征：通过扫描电子显微镜（SEM， Sigma 500，蔡司集团，德国）观察RCPCM的微观表面及截面的微观结构。

焓值测试：通过差示扫描量热仪（DSC，TAQ20，TA仪器，美国）对PDMS/PW进行测试，在N₂气氛下，以5 ℃/min的升、降温速率进行测试，测试的温度范围为0~60 ℃。

导热系数测试：使用导热仪（TC3100，西安夏溪电子科技有限公司，中国）对薄膜进行测试，将样品制备成5.5 mm×5.5 mm×1 mm（长×宽×高）的薄片，放置在传感器上，测试电压为2 V，每个样品在室温下测试5次，结果取平均值。

光谱测试：在漫反射模式下，配备积分球附件的UV-VIS-NIR分光光度计（U-4100，日本日立科学仪器，日本）记录0.3~2.5 μm波长范围内的反射光谱。使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（Nicolet IS50FTIR，赛默飞世尔科技，美国）在漫反射模式下与MIR积分球耦合，记录MIR范围（2.5~25 μm）的吸收光谱。

1.4 辐射制冷功率

平均太阳反射率（{\overline{R}}_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}）［式（1）］和大气窗口平均发射率（{\overline{\epsilon }}_{\mathrm{L}\mathrm{W}\mathrm{I}\mathrm{R}}）［式（2）］^［22］：

{\overline{R}}_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}=\frac{{\int }_{\mathrm{0.3}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}^{\mathrm{2.5}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}\left(\lambda \right)\times R_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}\left(\lambda ,\theta \right)\mathrm{d}\lambda }{{\int }_{\mathrm{0.3}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}^{\mathrm{2.5}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}\left(\lambda \right)\mathrm{d}\lambda }（1）

{\overline{\epsilon }}_{\mathrm{L}\mathrm{W}\mathrm{I}\mathrm{R}}=\frac{{\int }_{\mathrm{8}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}^{\mathrm{13}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}{I}_{BB}\left(\lambda \right)\times {\epsilon }_{\mathrm{L}\mathrm{W}\mathrm{I}\mathrm{R}}\left(\lambda ,\theta \right)\mathrm{d}\lambda }{{\int }_{\mathrm{8}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}^{\mathrm{13}\mathrm{\mu }\mathrm{m}}{I}_{BB}\left(\lambda \right)\mathrm{d}\lambda }（2）

其中，\lambda是0.3~2.5 μm范围内的入射光波长，I_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}是归一化的 ASTM G173全球太阳强度光谱，R_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{r}}是表面的角光谱反射率。I_{BB}\left(\lambda \right)是黑体发射的光谱强度，{\epsilon }_{\mathrm{L}\mathrm{W}\mathrm{I}\mathrm{R}}\left(\lambda ,\theta \right)是表面在8~13 μm范围内的角光谱热辐射率。

逐时辐射制冷功率：净辐射制冷功率P_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{o}\mathrm{l}}\left(T\right)与黑体辐射、大气的热交换、太阳辐照度和以非辐射形式实现的热交换相关^［25］，如式（3）所示：

P_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{o}\mathrm{l}}\left(T\right)=P_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}\left(T\right)-P_{\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}}\left(T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)-P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}}-P_{\mathrm{c}\mathrm{c}}\left(T,T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)（3）

其中：P_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}\left(T\right)是辐射制冷膜向外辐射的功率；P_{\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}}\left(T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)是辐射制冷膜受到的大气辐射功率；P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}}是辐射制冷膜受到的太阳辐射功率；P_{\mathrm{c}\mathrm{c}}\left(T,T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)是其他非辐射传热造成的冷却损耗；T是辐射制冷膜的温度，T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}是环境温度。

辐射制冷膜向外辐射功率P_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}\left(T\right)［式（4）］ ^［25］：

P_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}\left(T\right)=A\int d\Omega \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta {\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}d\lambda I_{\mathrm{B}\mathrm{B}}\left(T,\lambda \right)\epsilon \left(\lambda ,\theta \right)（4）

其中：A是薄膜表面积；\lambda是波长；\theta是立体角方向与曲面法线方向之间的夹角；\int d\Omega =\mathrm{2}\pi {\int }_{\mathrm{0}}^{\pi /\mathrm{2}}sin\theta d\theta，是半球上的角积分，\epsilon \left(\lambda ,\theta \right)是表面的光谱角发射率。

黑体辐射强度I_{\mathrm{B}\mathrm{B}}\left(T,\lambda \right)［如式（5）所示］ ^［25］：

I_{\mathrm{B}\mathrm{B}}\left(T,\lambda \right)=\frac{\mathrm{2}h{c}^{\mathrm{2}}}{{\lambda }^{\mathrm{5}}}\frac{\mathrm{1}}{e^{\frac{hc}{\left(\lambda k_{B}T\right)}}-\mathrm{1}}（5）

其中：h是普朗克常数；k_{\mathrm{B}}是玻尔兹曼常数；c是真空光速

辐射制冷膜受到的大气辐射功率P_{\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}}\left(T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)［式（6）］ ^［25］：

P_{\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}}\left(T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)={\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}{I}_{\mathrm{B}\mathrm{B}}\left(T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}},\lambda \right)\epsilon \left(\lambda ,\theta \right){\epsilon }_{\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}}\left(\lambda ,\theta \right)d\lambda \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta d\Omega（6）

其中：{\epsilon }_{\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}}\left(\lambda ,\theta \right)=\mathrm{1}-t{\left(\lambda \right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }，是大气发射率；t\left(\lambda \right)是大天顶方向的大气透过率。

辐射制冷膜受到的太阳辐射功率P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}}［式（7）］ ^［25］：

P_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}}=A{\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}d\lambda \epsilon \left(\lambda ,{\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{n}}\right)I_{\mathrm{A}\mathrm{M}\mathrm{1.5}}\left(\lambda \right)（7）

其中，I_{\mathrm{A}\mathrm{M}\mathrm{1.5}}是太阳光谱。

其他非辐射传热造成的冷却损耗P_{\mathrm{c}\mathrm{c}}\left(T,T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)［式（8）］ ^［25］：

P_{\mathrm{c}\mathrm{c}}\left(T,T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}\right)=A{h}_{\mathrm{c}\mathrm{c}}\left(T_{\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{b}}-T\right)（8）

其中，h_{\mathrm{c}\mathrm{c}}是非辐射传热系数，包括导热与对流。

1.5 辐射制冷性能测试实验设计

为评估RC@PCM的辐射制冷性能，本研究开展了模拟光源实验与户外测试，实验装置如图2所示。

（1）模拟实验采用氙灯光源（CEL-S500，北京中教金源科技有限公司）模拟太阳辐射，光源垂直照射样品表面，见图2（a）。样品固定于聚苯乙烯基底上，底部温度通过K型热电偶实时监测。

（2）户外测试平台［图2（b）］由环境监测系统、样品装置和数据采集系统组成。气象参数由气象站（Vantage Pro2，美国戴维斯仪器公司）实时记录。样品装置为自制聚苯乙烯箱体［图2（c）］，表面覆盖铝箔，顶部开设6 cm×6 cm×1 cm凹槽放置样品，并覆盖聚乙烯薄膜（PE）以减少非辐射换热。热电偶设置于材料底部，用于测定材料底部的温度。为了对比研究RC@PCM的辐射制冷效果，分别设置了不放置任何材料和商业涂料的实验对照组。空腔是不放置任何材料，仅覆盖同样的PE膜。测试地点在四川成都（东经：103°57'32''，北纬：30°57'28''），测试时间为2025年3月6日与2025年12月17日。

1.6 实验不确定性

考虑到实验条件和环境因素造成的不可避免误差，分析了实验过程中主要变量和参数的不确定性。K型热电偶的温度测量误差为±0.2 ℃；实验过程中的辐射强度测量误差在±3%以内，并进行了多次校准。

2 结果与讨论

2.1 RC@PCM性能表征

2.1.1 RC@PCM的热性能

图3（a）显示了纯石蜡和PDMS/PW的DSC曲线，热物性参数如表2所示。PDMS/PW的熔化温度和比PW的熔化温度的略高，主要原因可能是PDMS通过异相成核作用提升了石蜡的结晶质量，同时界面相互作用增强了晶体的热力学稳定性，共同导致相变温度略微升高。PDMS/PW的熔化潜热为44.08 J/g，石蜡的含量为30%，复合材料的潜热与纯石蜡的潜热之比与石蜡与复合材料的质量比基本一致。

图3（b）展示了RC@PCM各层材料的导热系数。纯PDMS的导热系数最低，仅为0.1705 W/（m·K）。随着石蜡和h-BN的引入，材料的导热系数均有所提升。其中，h-BN作为高效导热填料^［26-27］，显著增强了PDMS的导热性能，使PDMS/h-BN的导热系数达到0.9624 W/（m·K），约为纯PDMS的5.6倍。相比之下，PDMS/PW的导热系数为0.1861 W/（m·K），提升幅度有限，远低于PDMS/h-BN。这一较低的导热系数可以使相变层放热完成后，仍能发挥隔热保温的作用，从而减少热量损失。如图3（c）和图3（d）所示，RC@PCM由辐射制冷层和相变层构成：辐射制冷层采用2 mm厚的PDMS/h-BN，其中h-BN颗粒赋予薄膜高太阳反射率，而PDMS基体提供优异的红外发射率；相变层由PDMS/PW组成，用于吸收和储存白天辐射制冷层多余的热量，并在夜间释放，同时兼具隔热功能。图3（e）~（g）展示了PDMS/h-BN的截面及表面SEM图像。可见薄膜截面光滑，表明h-BN在PDMS基体中分散均匀，未出现明显的团聚现象，并且表面平整度较好。

2.1.2 RC@PCM光学特性

如图4是RC@PCM的太阳反射率和大气窗口发射率曲线。从图中可知，RC@PCM的反射率随着波长的增大呈现出先增大后减小的趋势。在800 nm波长处，RC@PCM的反射率最高，达到0.97。RC@PCM的超高紫外反射率可以解决太阳紫外光引起的建筑高温。而RC@PCM的平均太阳反射率为0.926，而在可见光波段的平均反射率可达0.958。此外，RC@PCM在大气窗口波段的发射率相对变化较为平缓。RC@PCM在大气窗口波段整体大气窗口发射率为0.94。RC@PCM具备高反射率和高发射率，可以实现高效、全天候的辐射制冷。

2.2 模拟光源下RC@PCM性能

采用氙灯作为模拟光源对RC@PCM进行恒定光照强度下性能测试，测试结果如图5所示。如图5（a）所示，在氙灯800 W/m²的光照强度下对比了商业涂料（1 mm和2 mm）和PDMS/h-BN（1 mm和2 mm）与RC@PCM的性能。各样品中商业涂料升温最快：1 mm商业涂料在前200 s内迅速升至42~44 ℃，随后进入平台并最终稳定在约46 ℃；2 mm 商业涂料同样快速升温，温度稳定在44 ℃左右，二者相差2~3 ℃。相比之下，PDMS/h-BN单层辐射制冷膜显著抑制升温：1 mm厚度的PDMS/h-BN最终稳定在约39 ℃，比1 mm商业涂料低约7 ℃；2 mm厚度的PDMS/h-BN在前期升温更慢，但后期平衡温度与1 mm样品接近。而RC@PCM全程温度最低且上升最平缓：在500 s左右仅约34 ℃，到1 800 s仍在37~38 ℃，相对1 mm商业涂料降低8~9 ℃、相对2 mm商业涂料降低5~6 ℃，相对PDMS/h-BN单层膜仍低2~3 ℃。此外，RC@PCM曲线呈现更明显的相变平台特征，这说明在辐照热输入下，部分热量被PCM通过相变潜热吸收并储存，等效削弱了温度对热冲击的响应，实现热缓冲效果；当相变逐步完成后，表面温度才继续缓慢上升并达到新的热平衡。因此，该图不仅表明RC@PCM能降低稳态温度，更重要的是其能够在强日照瞬态热输入下显著降低升温速率与峰值温度，体现出面向白天热冲击的优良热缓冲与稳定控温能力。

如图5（b）（c）所示，在800 W/m²和1 000 W/m²的光照强度下对RC@PCM进行了性能测试，可以看到在恒定的光照强度下，RC@PCM的温度变化几乎趋势一致。RC@PCM在800 W/m²和1 000 W/m²的光照强度下的最高温度分别为30 ℃和32 ℃左右。RC@PCM的相变层PCM的相变温度为26~40 ℃，当太阳辐照度较弱时，辐射制冷层多余的热量较少，PCM可以将热量储存起来并将温度控制在相变区间内；而太阳辐照度较强时，辐射制冷层多余的热量较多，PCM吸收这些热量并完全相变，温度便会高于32 ℃。RC@PCM在800 W/m²照度下照射3 h，温度均在32 ℃左右或以下，即使增加光照强度到1 000 W/m²，RC@PCM的温度仍然在32 ℃以下，这说明RC@PCM可以适应夏季中午的高光照强度。在关闭光源后，RC@PCM迅速降温，但由于相变材料在光照时存储了一定的热量，RC@PCM的降温速率明显要慢于商业涂料，当相变材料完全放热后，RC@PCM与商业涂料的温差曲线一直大于0 ℃，由此说明相变材料在完全放热后，相变材料还可以起到一定的保温隔热的作用，使得热量散失得更加缓慢。

2.3 RC@PCM辐射制冷及全天候热管理性能

如图6所示为RC@PCM全天候性能测试结果图。图6（b）所示，商业涂料全天都有温降效果，而RC@PCM仅在08∶00-17∶30时间段有温降效果，但从07∶00开始太阳辐照强度逐渐升高，RC@PCM的升温速率要比商业涂料和空腔要低，在一定程度上证明了RC@PCM的热缓冲效果。此外，从17∶30开始太阳辐射强度的下降导致商业涂料和空腔的温度急剧下降，而RC@PCM的温度曲线下降稍平缓一些，这是由于RC@PCM中的PCM开始释放白天储存的热量，且温度逐渐高于商业涂料和空腔温度。从08∶00到17∶30，RC@PCM表现为RC材料和PCM共同冷却控温，形成了较大的空气温降。17∶30以后，由于PCM加热的作用，温度高于商业涂料。在PCM放热完成后，PCM还起到一定的隔热保温的作用，减缓了热量的散失，使温度一直高于商业涂料和空腔温度。如图6（c）所示为温差ΔT（T-T_Blank，T为RC@PCM或商业涂料的温度，T_Blank为空腔温度）和逐时制冷功率。在白天最大光照强度880 W/m²下，RC@PCM最大温降为20 ℃，且在08∶00~17∶30时间段的平均温降为12.4 ℃。相比之下，商业涂料的最大温降仅仅为14 ℃左右，在08∶00~17∶30时间段的平均温降只有8.33 ℃。RC@PCM在夜间18∶00~24：00的温度要比T_Blank平均高出1.15 ℃，这表明PCM在日间储存了热量并在夜间释放，使得RC@PCM的温度要高于空腔温度和商业涂料温度。此外，RC@PCM在夜间的加热性能逐渐减弱，这是由于完成液-固相变的PCM的比例逐渐增加，且夜间的气温也越来越低。从图6（c）RC@PCM的制冷功率可以发现薄膜夜间的制冷功率都要大于日间的制冷功率，这是由于日间的辐射制冷薄膜需要同时应对太阳辐射和自身向外太空的热辐射，导致制冷量流失。RC@PCM在全天候的制冷功率都在75 W/m²以上，全天候最大制冷功率可达140 W/m²。

如图6（e）所示，2025.12.17户外测试中，在00∶00~08∶00和17∶00~24∶00时间段RC@PCM的温度整体略高于空腔，这是由于日间PCM储存的热量在夜间释放；而从上午辐照增强后（约09∶00起），空腔温度快速上升并在中午达到峰值37 ℃，商业涂料与RC@PCM均能显著抑制温升，其中RC@PCM在中午峰值温度约24 ℃，商业涂料约27 ℃；在夜间，商业涂料温度比空腔温度略低，但RC@PCM的温度要比空腔温度高，这说明RC@PCM在日间所吸收的热量在夜间得到了释放，使得温度得到了提升。如图6（f）所示为温差ΔT曲线和逐时制冷功率。在冬季中午辐照峰值附近，RC@PCM的最大温降可达约14 ℃，而商业涂料的最大温降约9 ℃。而且值得注意的是，随下午辐照衰减，空腔温度快速回落，而RC@PCM的温差由负值逐渐回升并在傍晚后转为正值，这说明RC@PCM在白天储热后，PCM在日落后通过放热与隔热叠加效应减缓了温度下降速率，且具有一定的夜间热缓冲/抑制过冷能力；相比之下，商业涂料在夜间温差在0左右或负值，热缓冲效应不如RC@PCM明显。其净制冷功率整体处于约85-125 W/m²范围，综合图6（a）~（f）可知，RC@PCM在春夏季和冬季条件下同时体现出白天降温抑峰与夜间热缓冲两种特征，为“全年/跨季节”热管理应用提供了更直接的实测支撑。

3 结论

本文提出了一种面向建筑围护结构的辐射制冷/相变协同双层复合薄膜（RC@PCM）。以RC层提供高太阳反射与大气窗口高发射，同时利用PCM在相变区间的潜热吸放实现热流“削峰填谷”，从而将传统辐射制冷材料在夜间/冬季可能引发的“过冷”转化为可控的热缓冲能力。主要结论如下：

（1）RC@PCM兼具优异光谱选择性，其平均太阳反射率0.926，大气窗口发射率0.94，为日间被动辐射制冷提供基础。

（2）与单层PDMS/h-BN相比，RC@PCM在高辐照条件下表现出显著的温升抑制与高光照适应性：在800 W/m²光照下其平衡温度较单层膜低约3 ℃，同时在1 000 W/m²光照下也可保持32 ℃以下的平衡温度。

（3）户外实测可知，在夏季880 W/m²照度下最大温降达20 ℃，夜间平均温升1.15 ℃，全天候净制冷功率峰值可达140 W/m²；在冬季弱辐射照度下最大温降约14 ℃，且夜间温升维持在1~3 ℃之间，最高可达2.7 ℃。

综上，RC@PCM通过“辐射制冷 + 相变热缓冲”的协同机制，为建筑围护结构提供了一种低能耗、可扩展的全天候热管理材料方案。

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基金资助

国家自然科学基金(52378111)