通过使用协同作用的h-BN/SiO?，在分层结构的PDMS薄膜中整合被动辐射冷却与优异的超疏水性

《Progress in Organic Coatings》：Integrating passive radiative cooling with robust superhydrophobicity in hierarchically structured PDMS films using synergistic h-BN/SiO 2

被动辐射冷却（RC）薄膜通过引入六方 BN 和二氧化硅双功能填料，采用布拉格贴片和喷涂法制备 PDMS 基复合薄膜，显著提升冷却性能。研究显示，该薄膜太阳能反射率达 93.2%，大气窗口红外发射率 92.3%，在 886 W/m2 ?照度下降温 19.4°C。表面粗糙处理实现超亲水性（接触角 172.3°），经 10 次磨损和污染物测试仍保持稳定性能。

　　

陈新宇|赵青云|张楠|袁彦平|阿提亚·沙迪|张卓莉

西南交通大学机械工程学院，中国成都，610031

摘要

被动辐射冷却（RC）作为一种无需能源的冷却策略，已经展现出缓解传统机械冷却技术对能源和环境负面影响的巨大潜力。然而，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的传统RC薄膜在实际应用中受到冷却性能不足和自清洁能力有限的限制。本文提出了一种采用 tape-casting 工艺制备的PDMS基RC复合薄膜，通过添加六方氮化硼（h-BN）和二氧化硅（SiO₂）作为功能性填料来提升RC性能。进一步利用喷涂技术在薄膜表面构建粗糙结构，以实现超疏水性和自清洁功能。实验结果表明，该PDMS RC薄膜表现出显著的宽频谱调制特性：太阳反射率为93.2%（可见光范围内为95.6%），大气窗口发射率为92.3%。在886.0 W/m²的太阳辐照度下，薄膜能够使温度降低19.4°C。性能提升归因于h-BN的高折射率带来的高太阳反射率，以及SiO₂中Si-O键振动产生的强中红外发射率。此外，粗糙表面和疏水性无机颗粒赋予了薄膜优异的超疏水性，使其水接触角达到172.3°。经过10次磨损循环和常见液体的污染测试后，薄膜仍保持超疏水性，并在柔韧性和负载测试中表现出良好的机械稳定性。总之，本研究设计了一种制备工艺简单、机械稳定性高且RC性能优异的PDMS基复合薄膜，为节能和气候缓解提供了可行的解决方案。

引言

建筑能耗是能源领域面临的重要挑战，占全球总能耗的三分之一以上[1]。传统的蒸汽压缩空调系统依赖电力运行，占建筑用电总量的约16%[2]，这也显著增加了城市碳排放。因此，许多研究致力于开发适合建筑节能的近零能耗冷却技术。被动RC是一种无需额外能源输入的冷却方法，它通过将热辐射发射到深冷空间（约3 K）并有效反射太阳辐射（0.3–2.5 μm）来实现冷却[3]。这两种机制的结合使得热辐射的全谱调节成为可能，从而实现昼夜循环下的被动冷却效果。

在被动RC技术领域取得了显著进展，多项研究报道了白天低于环境温度的冷却效果[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。近年来出现了多种RC材料，包括光子晶体、聚合物薄膜和生物衍生纤维[9]。然而，光子晶体（如Poly(St-MMA-AA)和PS）存在机械刚性高和纳米制造能耗大的问题[10]。生物衍生纤维RC材料（如纤维素和壳聚糖）在恶劣户外条件下的结构稳定性和长期稳定性方面存在挑战[11]。聚合物因其低成本和易于加工的特性而被广泛认为是适合大规模应用的理想材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其优异的热稳定性和化学稳定性，成为理想的柔性基底[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。尽管PDMS能透射超过90%的可见光，导致反射率低和吸收过多太阳热量，但通过添加各种添加剂（金属、聚合物和无机颗粒等）可以改善其吸收性能[18]、[19]、[20]、[21]。与金属和聚合物添加剂相比，无机颗粒在加工便捷性和成本效益方面具有优势[22]。特别是六方氮化硼（h-BN）独特的二维结构和高折射率使其具有超高的后向光散射效率，从而实现高太阳反射率[23]。此外，h-BN在中红外范围内能激发声子-极化子共振，产生高强度和定向的热辐射[24]。Yan等人[25]报道了h-BN掺杂纳米复合材料的太阳反射率为80.9%，热发射率为91.3%。Zhang等人[26]制备的复合材料太阳反射率超过86%，发射率超过93%，有效降低了基底温度。二氧化硅（SiO₂作为另一种常用的无机填料，因其低消光系数和强红外发射能力而受到青睐[27]。Yal??n等人[27]利用SiO₂的散射和高发射率特性实现了高效RC。Zhang等人[28]通过原位合成SiO₂制备了RC织物，太阳反射率为70.0%，大气窗口发射率为95.0%，实现了最大11.2°C的降温效果。还有其他无机颗粒（如TiO₂、ZrO₂等）也被用于PDMS基底，显著提高了复合薄膜的太阳反射率和红外热发射率[29]、[30]。总体而言，单颗粒掺杂已被证明能有效提升RC材料的太阳反射率或红外发射率。

然而，目前的单颗粒掺杂通常无法同时优化太阳反射和红外发射，这会严重影响白天的RC性能。根据Mie散射理论，散射效率取决于波长和颗粒大小的匹配[31]，单一颗粒尺寸无法覆盖整个光谱范围。因此，双颗粒掺杂能够在更宽的波长范围内实现多尺度散射，从而提供平衡的光谱调节策略。近期研究证明了双颗粒设计的有效性。Bao等人[32]制备的TiO₂/SiO₂涂层太阳反射率为90.7%，大气窗口发射率为90.1%，白天和夜晚的降温效果分别为17.0°C和5.0°C。Feng等人[33]开发的ZrO₂/TiO₂双层涂层太阳反射率为92.9%，大气窗口发射率为95.1%。Ran等人[34]通过加入h-BN和溴化锂（LiBr）到辐射蒸发冷却薄膜中，实现了90%的太阳反射率和93%的中红外发射率。Xia等人[35]通过向聚偏二氟乙烯（PVDF）中添加不同大小的SiO₂和TiO₂颗粒，提高了太阳反射率至91.16%，大气窗口发射率为91.41%。Zhang等人[36]在空心SiO₂球上原位生长BN纳米片制备了涂层，太阳反射率为80%，红外发射率为85%。这些研究表明，具有互补光学特性的双颗粒系统比单颗粒设计更适用于全谱辐射调节。

除了太阳辐射和大气窗口的光谱调制外，复合RC薄膜的长期稳定性对其实际应用至关重要。污染物（如灰尘、颗粒、液体）不可避免地会在RC材料表面积累，影响太阳反射率和红外发射率，最终降低冷却性能。超疏水性对于维持RC薄膜的长期冷却效率至关重要，因为它能通过自动去除表面污染物实现自清洁。这可以通过构建分层微纳粗糙表面来实现。粗糙结构在水滴下方形成空气层，减少固液接触，促进液滴滚落，从而实现自清洁效果。现有的方法（如模板法[37]、喷涂法[39]等）可以构建粗糙表面。喷涂法特别有利，能够直接快速覆盖复杂的三维几何形状，无需复杂模具。Zhao等人[41]使用PDMS作为超疏水剂通过喷涂制备，水接触角超过150.0°。He等人[42]制备的PDMS/SiO₂涂层也保持了150.0°以上的接触角。Xu等人[43]制备的PTFE/PVDF RC涂层表现出优异的性能：水接触角为153.7°，太阳反射率为93.7%，红外发射率为93.3%。总体而言，喷涂法为构建具有强自清洁能力的粗糙超疏水表面提供了有效且可扩展的途径。

基于以上综述，双颗粒策略在提升RC材料的光学性能方面显示出潜力。然而，目前尚缺乏对双颗粒掺杂如何共同调节全谱范围内太阳反射率和红外发射率的系统理解。此外，大多数报道的PDMS基复合薄膜的水接触角有限，导致自清洁能力较差，在潮湿或雨天环境中容易污染。因此，同时解决光谱调节和表面疏水性的综合策略在双颗粒RC系统中仍需进一步探索。本研究采用集成tape casting-spraying工艺制备PDMS基RC薄膜，通过tape casting将高反射率的h-BN和高发射率的SiO₂作为功能性填料掺入PDMS基底，随后使用简单喷涂方法构建由均匀材料（PDMS、h-BN、SiO₂）组成的粗糙表面，确保了材料兼容性和结构稳定性。通过结合具有互补光学特性的h-BN和SiO₂，可以协同调节RC薄膜的光谱特性，显著提升RC性能。本文系统研究了填料含量、薄膜厚度和表面喷涂量对冷却性能的影响，并评估了RC薄膜在各种实际环境下的冷却性能和耐久性。这些结果有望为高性能PDMS基（PBNS）RC薄膜的设计提供指导。

材料

PDMS（包括PDMS弹性前体A和Sylgard184硅橡胶固化剂B）购自Dow Corning（美国）。h-BN颗粒（粒径20 nm）购自河北沐宇新材料有限公司（中国）。SiO₂颗粒（粒径30 nm）购自成都科龙化工有限公司（中国）。乙酸乙酯（C₄H₈O₂）购自成都科隆化工有限公司（中国）。

PBNS RC薄膜的制备

掺杂了h-BN和SiO₂两种无机颗粒的PDMS RC薄膜

结构与形态

图2(a)显示PBNS RC薄膜呈现白色，这是由于h-BN和SiO₂颗粒的光散射所致。XRD光谱（图2(b)）在20.9°处显示出特征峰，对应于SiO₂的（100）晶面。26.7°（002）、41.6°（100）、55.1°（004）和76.0°（110）处的特征峰反映了h-BN的六方晶体结构的典型衍射特征。

结论

本研究开发了一种新型PDMS基RC复合薄膜，通过加入h-BN和SiO₂作为双重功能性填料，实现了优异的被动冷却和超疏水性。该薄膜通过集成tape casting-spraying工艺制备。系统研究了制备的PDMS基RC薄膜的结构特性、散热性能、自清洁能力和机械性能。与近期报道的辐射冷却技术相比

作者贡献声明

陈新宇：撰写初稿、研究、数据分析、验证。赵青云：概念提出、方法设计。张楠：方法设计、资源准备。袁彦平：资源准备、监督指导。阿提亚·沙迪：概念提出、资源准备。张卓莉：撰写初稿、监督指导、资源准备、概念提出、方法设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52378111和52311530700）和中央高校基本科研业务费（编号：2682024CX104和2682024GF021）的支持。