哈工大李垚教授团队AFM：元素掺杂和结构设计提升自适应热管理效果

辐射制冷技术作为一种无需电力的被动冷却方法，通过将热量以辐射的形式排放到外太空，为建筑节能提供了一种有效的解决方案。然而，现有的辐射制冷材料往往存在光学特性静态不变的问题，导致在不需要冷却的时候仍然持续散热，这在季节性或日温差显著的地区可能导致过度冷却，增加额外的供暖需求，从而限制了辐射制冷技术的广泛应用。

近日，哈尔滨工业大学李垚教授、豆书亮副教授等人成功研发了一种基于W-Mg共掺杂VO2的自适应变发射率涂层。该技术能够在具有显著温度波动的地区实现季节性和日常的热调节，为全球节能提供了宝贵的见解和实用指导。该涂层采用高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）制备，由Al薄膜、HfO2间隔层和VO2薄膜组成，结构简单，可大面积制备。此外，采用密度泛函理论（DFT）阐述了W-Mg共掺杂VO2对太阳辐射波段吸收的显著抑制作用，并在此基础上构建了法布里-珀罗（F-P）谐振结构。当涂层表面温度超过27.5 ℃时，可自动将天窗发射率从0.17切换至0.86。同时，W-Mg-VER具有0.40的最佳太阳吸收比，可确保在日温差较大的地区实现全年节能，并在红外热成像和室外测试环境中显示出有效的热调节功能。利用气候数据库进行的数值模拟进一步说明了W-Mg-VER的节能潜力及其出色的耐久性，凸显了其在辐射制冷领域的实际应用潜力。

该研究成果以“Adaptive Variable Emissivity Reflector for Seasonal and Daily Thermal Regulation in Regions with Significant Temperature Variations”为题发表于《Advanced Functional Materials》。论文的第一单位为哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，第一作者为博士研究生耿晨晨。本研究得到了河南师范大学刘玉芳教授研究团队的大力支持与合作。

图1 变发射率涂层的热管理展示及光学模拟

所研制的自适应变发射率涂层（W-Mg-VER）在高温下通过增加发射率来促进散热，在低温下通过降低发射率来减少散热，同时保持适当的太阳能吸收比，以优化太阳能的利用。通过数值模拟发现对于哈尔滨这类温度变化显著的城市，当太阳能吸收比约为0.4时，建筑的热调节能耗（Etr）具有较低值。此外，W-Mg共掺杂显著提高了VO2的光学带隙，从而减少了对可见至近红外波段的光吸收，有利于降低涂层的太阳吸收比。

图2 掺杂VO2薄膜的第一性原理研究

W-Mg-VER在可见光波段具有低太阳能吸收率（αL为0.40），明显低于传统的VER和W-VER。此外，W-Mg-VER在8~13 μm波段展示了出色的红外发射率调节能力（Δε为0.69），该现象对于实现温度自适应辐射制冷至关重要。通过红外热像图的观察，验证了W-Mg-VER在温度变化时的热调节能力。

图3 变发射率涂层的光学性能

通过测试涂层在户外环境下的表面温度，验证了其在温度调节方面的优势。W-Mg-VER在夜间低温条件下展示了出色的保温性能，并在白天高温条件下实现了有效的冷却。此外，全季节的数值模拟结果进一步证实了W-Mg-VER在全年不同季节中均能实现显著的节能潜力。

图4 变发射率涂层的热调节性能

本文提出了一种基于W-Mg共掺杂VO2薄膜的自适应可变发射率涂层。该涂层具有适宜的太阳吸收比、高发射度可调性、低相变温度和高达10000次的热循环稳定性，实现了辐射冷却和保温模式之间的智能调节，验证了其优异的温度响应和节能潜力。此外，该团队通过串联可调谐光学腔和选择性透明层，实现了从可见光到微波频段的多光谱调控（Light: Science & Applications, 2024, 13(1): 54）；利用VO2纳米线和PVDF-HFP基体复合，研制了一种智能电磁波吸收材料（Chemical Engineering Journal, 2024, 489: 151025；同时，制备了一种具有优异的可调电磁干扰屏蔽性能的智能材料，实现了在不同温度下对电磁波屏蔽性能的动态调节（ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16: 21024-21033）。此外，提出了一种半自监督学习的相变适应模型，用于预测基于VO2的智能辐射器件性能（Next Energy, 2024, 3: 100046）。这些工作展示了团队在智能光热调控材料领域的重要进展。