《Composites Communications》：Multiscale scattering network-enabling phase-change composite films for broad-temperature-range high solar reflectance and efficient radiative cooling
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陈江龙|王玉峰|袁梦梦|雷东梅|程远博|鲍文静|苗月娥|张超中国上海东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室，201620摘要相变辐射冷却材料是一类前沿的热管理系统，它将被动辐射冷却与相变能量存储相结合，展现出零能耗、高功率密度和全天候适应性的优势。然而，在高相变材料
陈江龙|王玉峰|袁梦梦|雷东梅|程远博|鲍文静|苗月娥|张超
中国上海东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室，201620
摘要
相变辐射冷却材料是一类前沿的热管理系统，它将被动辐射冷却与相变能量存储相结合，展现出零能耗、高功率密度和全天候适应性的优势。然而，在高相变材料含量的复合材料中实现高太阳反射率仍然是一个关键挑战。本文报道了一种具有互连多尺度散射网络的相变复合薄膜的合理设计与制备。该薄膜表现出优异的光学性能：在可见光范围内（大气透明窗口）具有92.8%的高太阳反射率和97.5%的高红外发射率，并且这些性能在跨越相变阈值的宽广温度范围内保持稳定。室外冷却测试表明，在强烈太阳照射下，这种薄膜可使环境温度平均降低6.6°C。作为示范，与传统的相变薄膜相比，该薄膜可将车辆车顶的表面温度降低3.3°C。高太阳反射率相变复合材料的工程设计为开发高效、全天候的热管理材料提供了多样的设计范例，从而在建筑节能、室外热管理和个人热防护等领域具有重大应用潜力。
引言
在全球变暖加剧和能源需求增加的背景下，空间冷却已成为节能建筑、车辆和个人热管理中的主导性高能耗过程[1,2]。传统的电驱动冷却系统在极端温度和强烈太阳照射条件下运行，不仅加剧了能源消耗，还成为碳排放的重要来源[3,4]。因此，开发独立于外部能源输入的被动冷却管理策略对于推进能源节约和促进可持续发展至关重要[5,6]。被动日间辐射冷却（PDRC）利用材料的光谱选择性，通过热辐射将热量散发到寒冷的外太空[7],[8],[9],[10]。理想的PDRC材料应在整个太阳光谱（0.3～2.5μm）范围内具有高反射率，以最小化太阳热量吸收[11,12]，同时在大气窗口（8～13μm）范围内具有高红外发射率[13,14]。这种双重特性使得PDRC材料在白天和夜间都能持续实现低于环境温度的冷却效果[15]。最近的研究进展，包括基于多层光子结构、多孔聚合物、纳米复合材料和超材料的设计，显著提高了PDRC材料的太阳反射率和红外发射率[16],[17],[18],[19],[20]，从而扩展了其在建筑围护结构、功能性纺织品和电子设备热管理系统中的应用[21]。然而，太阳辐射强度的时间变化对传统PDRC系统构成了挑战，阻碍了其在动态变化环境中保持稳定热性能的能力[22]。
将相变材料（PCM）与潜热储存和释放功能集成到PDRC系统中，已被确定为提高热调节性能的关键策略[23],[24],[25]。PCM在相变过程中吸收和释放潜热，有效调节热流波动，并在缓解过冷和减少温度波动方面提供必要的热能缓冲[26],[27],[28],[29],[30],[31]。然而，PCM在相变过程中光谱选择性的同时变化是一个被忽视的关键挑战[32]。例如聚乙二醇（PEG）[33]在固液相变接近其相变温度（TPC）时，表现出明显的不透明-透明转变：在固态下通常具有强光散射或半透明性，而在超过TPC温度时转变为高度透明的液体。这种由相变引起的透明度在相变辐射冷却系统中引入了根本性的太阳散射冲突。具体来说，在高温下，辐射冷却依赖于高太阳反射率来抑制太阳热量吸收。但在这些条件下，PCM转变为透明液体状态，从而增加了太阳辐射进入室内的程度，这反过来降低了净辐射冷却性能[37]。尽管PCM从热力学上有利于温度调节[38]，但其在高温下的高光学透明度与辐射冷却所需的 high 太阳反射率相矛盾[39]。这种由相变引起的光学退化和热调节能力之间的固有矛盾，从根本上限制了现有PCM集成辐射冷却系统在强烈太阳照射下的性能提升[40]。
本文制备了一种具有多尺度散射网络的太阳反射型相变复合薄膜（SR-PCF）。通过调整分子链以匹配大气窗口区域的特征吸收模式，SR-PCF实现了97.5%的优异热发射率。同时，在相变前后保持强烈的光散射，多尺度散射网络使SR-PCF在相变温度以下和以上分别具有92.8%和92.3%的高太阳反射率。室外冷却测试表明，在强烈太阳照射下，该薄膜可使白天平均温度降低6.6°C，并在夜间延缓约3小时的过冷现象。这一设计从根本上解决了传统PCM辐射冷却系统中由于透明度引起的冷却性能下降的固有矛盾，为自适应相变辐射冷却开辟了新的范例。
章节摘录
材料
2-羟基乙基丙烯酸酯（HEMA，>97%）、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA，>99.5%）和聚乙二醇800（PEG，>99.5%）由上海Titan Technology提供。2,2-二乙氧基苯甲酮（DEAP，>95.0%）由TCI Chemicals提供。六方氮化硼（h-BN）由北京德科达奥金科技有限公司提供。
SR-F、SR-PCF和C-PCF的制备
氮化硼纳米片（BNNS）是通过超声辅助液相剥离法制备的。通常，将1.0克h-BN粉末分散在99毫升水中...
结果与讨论
SR-PCF的制备旨在解决在其相变温度（TPC）范围内保持高太阳反射率的挑战。SR-PCF的制备过程如图1a所示。SR-PCF是通过原位光引发的聚合反应制备的，在此过程中，相变聚乙二醇（PEG）被限制在原位聚合的HEMA网络中，使用PEGDMA和BNNS分别作为化学和物理交联剂进行交联，从而得到...
结论
总之，通过将聚合物PCM限制在聚合物网络中，开发了一种相变复合薄膜，实现在相变温度以下和以上的高太阳反射率。引入BNNS构建了一个多尺度散射网络，在相变温度范围内保持强烈的光散射，从而在宽广的温度范围内保持稳定的高太阳反射率。
CRediT作者贡献声明
陈江龙： 数据整理、研究、方法论、初稿撰写。王玉峰： 数据整理、研究。袁梦梦： 数据整理、研究。雷东梅： 数据整理。程远博： 数据整理。鲍文静： 数据整理。苗月娥： 数据整理。张超： 架思、监督、撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
国家自然科学基金（52573072, 52273067）、上海市教育发展基金会和上海市教育委员会曙光计划（23SG29）、上海市自然科学基金（24ZR1402400）以及上海市科技创新项目（24520713000）的财政支持。
