陕西科技大学王学川&刘新华等综述：动态辐射热管理的快速发展—基础知识、切换方法、应用和挑战

研究背景

近年来，人口迅速增长加剧了全球能源危机，并加重了气候变化带来的挑战，包括全球变暖。当前，极端天气事件频发和环境温度的大幅波动扰乱了热舒适性并对健康产生负面影响，导致对制冷和供暖能源的依赖日益增加。因此，高效的热管理成为能源研究的核心关注点。传统热管理系统消耗大量能源，进一步加剧了温室气体排放。相比之下，依赖可再生能源的新兴辐射热管理技术被提出作为可持续的替代方案。然而，在没有额外能量输入的情况下实现全年热管理仍然是一个巨大的挑战。近年来，动态辐射热管理技术作为最有前景的解决方案应运而生，提供了适应季节变化的能源高效调节潜力。

Fast-Developing Dynamic Radiative Thermal Management: Full-Scale Fundamentals, Switching Methods, Applications, and Challenges

Long Xie, Xuechuan Wang*, Yageng Bai, Xiaoliang Zou & Xinhua Liu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 146

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01676-6

本文亮点

1. 本综述全面总结了动态辐射热管理技术的最新进展。

2. 深入讨论了动态辐射热管理技术的基本原理、设计策略，以及目前所呈现的一系列相关应用。

3. 深入回顾了动态辐射热管理技术所面临的挑战，并为该领域未来的发展方向提供了潜在的解决方案。

内容简介

这篇综述中，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川、刘新华等人对动态辐射热管理技术的最新进展进行了全面总结，涵盖了基本原理、切换机制、应用及现有挑战。首先，概述了动态辐射热管理的核心理论基础。接着，基于驱动机制，将当前的动态辐射热管理材料分为主动型和被动型两类，并对每一类进行了详细分析。随后，回顾了动态辐射热管理技术在应用领域的最新发展，并对这些应用进行了分类和总结。最后，讨论了该领域当前面临的挑战以及未来的发展前景。总体而言，本综述为研究人员和行业专业人士提供了广泛且最新的参考，促进了动态辐射热管理技术的进一步研究和创新，同时也为其在工业环境中的实际应用提供了指导。

图文导读

I 简介

图1a展示了2010-2019年全球供暖及制冷天数的分布。图1b则是美国城市在热管理模型对应下的能源消耗与能源的年平均节省情况。图1c展示了太阳、地球及外太空三者之间的热传递示意图，可以看出其热传递主要以太阳光辐射和热辐射为主。在Web of Science中检索词“动态辐射热管理”一词，相应的文章数量如图1d所示。不难观察到研究者们对动态辐射热管理的关注度在逐步上升。图1e则是对动态辐射热管理技术原理、切换方法、相关应用及挑战的总结。

图1. a 2010至2019年全球供暖和制冷天数分布；b 美国城市在热管理模型下的能源消耗与年均能源节省情况；c 太阳、地球和外层空间之间的热传递示意图。d Web of Science文献统计(检索词：“动态辐射热管理”)；e 动态辐射热管理的原理、方法、应用及挑战概述。

II 基本原理

实现动态辐射热管理主要有两种策略：调节材料的太阳辐射吸收或调整其热辐射特性。对于不透明材料，夏季有效的冷却需要较高的太阳反射率和较高的中红外辐射率，以最大化热量散发。相反，在寒冷季节，这些材料应减少中红外辐射率，同时最大化太阳吸收以保持热量并防止热量流失(图2a，b)。而对于透明材料如智能窗而言，炎热天气中应尽量减少太阳光的透过，而在寒冷天气中应增强近红外光的透过以增加热量传输(图2c，d)。但对于智能窗而言，冷却和加热模式下的可见光透过率均应保持在60%以上。此外，值得一提的是，对于辐射冷却材料，根据中红外波段中的辐射冷却模式，又可将其分为宽带辐射冷却和选择性辐射冷却。宽带辐射冷却在整个中红外波段具有较高的辐射性能，而选择性辐射冷却仅在大气窗口(8–13 μm)中具有较高的辐射性能(图2b，d)。

图2. a 不透明材料的辐射热管理机制示意图；b 不透明材料的理想光谱；c 半透明材料的热管理机制示意图；d 半透明材料的理想光谱。

III 切换方法

动态辐射热管理技术通过材料对外界环境温度的响应而切换自身热管理模式，以此实现可调节的加热和冷却效果，从而扩展其潜在应用。在这方面，研究人员已开发出多种具有动态辐射热管理能力的材料和设备，这些材料和设备根据其切换机制可大致分为主动式和被动式(图3)。主动式切换不是自发的，需要人为干预，如手动翻转、机械压力和电压刺激。相比之下，被动式不需要人为干预，材料或设备可对外界环境刺激(如光、温度和湿度)作出自发响应，从而切换自身热管理模式。

图3. 热管理技术发展趋势。

IV 主动式切换

为了实现可控的辐射热管理模式切换功能，研究人员基于相关光学理论和常见的商用材料，开发了简单且环保的可切换辐射热管理器件。特殊的结构设计使得这些器件能够在人工干预下灵活的切换自身热管理模式(图4a-d)。

机械响应材料可以通过简单的机械应变(如压缩或拉伸)改变其光学性质。这种行为的产生是因为当机械驱动发生时，材料的表面形貌或内部结构被重构或变形，从而改变其散射效率，实现光学调节(图4e-i)。

将冷却和加热功能集成在单一材料中面临着重大挑战；然而，Janus结构的出现为此提供了一个有前景的解决方案。受Janus结构概念启发，研究人员开发了多种具有不同特性的Janus材料，例如Janus润湿性及导电性等，其中Janus热管理材料是最具代表性的一种(图4j-l)。

图4. a-d 动态辐射热管理器件结构示意图。a 百叶窗结构；b 具有能量存储特性的百叶窗结构；c 双模非对称光子反射器件的工作原理；d 机械可重构结构；e-i 机械响应的动态辐射热管理设计策略。e 基于章鱼和水母的调节原理；f 褶皱结构；g 厚度驱动的褶皱结构；h 纳米材料复合材料；i 基于金属的复合材料；j-l Janus结构。j 双层结构；k 三明治结构；l 多层结构。

电致变色是指材料在施加电场的作用下能够可逆地改变其自身光学性质的特性。独特的光电调制能力、低电压操作和显著的耐久性使得电致变色材料成为动态辐射热管理应用中的重要组成部分。实际应用中，电致变色材料通常被集成到电致变色器件(ECDs)中，这些器件可以在透射模式或反射模式下工作。典型的电致变色器件包括四个关键组件：透明导电层、离子传输层、离子储存层和电致变色层(图5a)。电致变色材料种类繁多，根据其组成可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料主要通过电化学离子插入和提取来调节光谱特性，常见的无机电致变色材料包括钛酸锂(LTO)(图5b)、金属(图5c, d)、过渡金属氧化物(图5e)和各种无机化合物(图5f)。然而无机电致变色材料价格昂贵且脆弱，限制了它们在大规模生产和应用中的使用。因此，具有轻质、柔性、易加工、较高对比度、快速响应时间和动态变色能力的有机电致变色材料引起了广泛关注。有机电致变色材料主要包括导电聚合物(图5g)和聚合物分散液晶(图5h)。

图5. a 电致变色器件的基本组成；b-f 使用无机电致变色材料的器件。b LTO电致变色结构及其光谱特性；c 基于金属的电致变色器件；d 结合多金属的电致变色器件；e 基于过渡金属氧化物的电致变色器件；f 基于无机化合物的电致变色器件；g-h 使用有机电致变色材料的器件。g 基于PANI的电致变色器件的工作原理；h 基于PDLC的电致变色器件。

传统用于全季节热管理的材料常常受到切换速度慢、循环耐久性差和机械强度不足的限制，这极大地制约了它们的实际应用。近期研究表明，某些材料在受到化学刺激(如有机溶剂)时，会发生内部或结构上的变化，从而改变其光学性质(图6a)。这些材料通常表现出快速的响应速度和较高的机械强度，使它们成为热管理应用(如智能窗户)的有前景的候选材料。

除上述主动式切换方法外，溶剂诱导的可逆润湿性提供了另一种切换热管理模式的策略。这种方法利用了具有可逆润湿能力的聚合物的特性，这些聚合物通常具有孔隙结构，孔径范围从0.1到10 μm不等。材料的高度多孔性质导致其在不同波长下发生显著的Mie散射，从而提高了太阳反射率并呈现出明显的亮白色外观。然而，当折射率与聚合物相似的液体渗透到材料中时，折射率差异减小，导致Mie散射效率降低，此时材料变得透明，允许入射光通过(图6b-d)。

图6. a 材料对化学刺激的响应；b-d 材料对润湿刺激的响应。b 基于多孔聚合物材料的润湿刺激响应；c 通过垂直对齐的微孔结构克服厚度限制的润湿刺激响应示意图；d 具有全光谱调节能力的润湿刺激响应材料。

V 被动式切换

热致变色材料在温度变化时发生相变或褪色，其光学性质因晶体或分子结构的变化而改变，使其成为动态辐射热管理应用最具有前景的候选材料。与主动切换材料不同，热致变色材料无需外部能源输入即可调节热管理模式，这与低碳和环境可持续原则高度契合。这种节能的切换能力引起了研究人员的广泛关注。目前，已有七种主要类型的热致变色材料被广泛研究，即二氧化钒(VO₂)(图7a-e)、锗-锑-碲(GST)(图7f)、硫属化物(图7g, h)、水凝胶(图7i, j)、离子凝胶(图8a)、热致变色微胶囊(图8b)和盐类聚合物(图8c)。

某些材料在温度变化时会表现出物理和化学性质的变化，这一特性使它们在热管理中得到了应用。基于这一原理，已经开发了许多具有温度响应特性的动态辐射热管理材料。与热致变色材料相比，温度响应的动态辐射热管理材料是通过其固有的物理和化学性质的变化来实现热管理模式切换，如电磁、机械变形、折射率和热阻等(图8d)。

此外，一些材料暴露在光照下时也会表现出光学性质的变化，从而实现热管理模式的切换，将这类材料统称为光致变色材料(图8e)。

先前的研究中报道了能对人工湿度刺激作出响应的材料，然而这种控制方式需要人为干预，这增加了应用成本及大规模实施的复杂性。鉴于可穿戴技术的快速发展以及人体在不同环境下的汗液排放变化，研究人员开发了多种具有自适应湿热管理能力的智能纺织品。这些纺织品可以根据湿度水平自动调节其热传导特性，从而帮助维持人体舒适度(图8f, g)。

图7. a-e 基于VO₂的热变色材料。a VO₂相变前后的结构示意图；b 在20°C和100°C下，基于VO₂的相变材料的光谱特性；c 基于VO₂的法布里–珀罗(F-P)共振结构；d 基于VO₂的F-P共振结构，其中聚合物作为介电层；e 基于VO₂的热管理器件，具有能量收集功能；f 基于GST的热质变色平面腔结构；g, h 热致变色硫属化物材料。g 热致变色硫属化物结构示意图；h 受口罩启发的具有独特三层结构的热致变色硫属化物窗户；i, j 热致变色水凝胶。i 具有可调太阳透过率和热辐射率的热致变色智能窗；j 具有可扩展相变温度的热致变色智能窗。

图8. a-c 热致变色材料。a 热致变色离子凝胶；b 热致变色微胶囊；c 热致变色盐类聚合物；d 温度响应器件；e 光致变色材料；f, g 湿度响应材料。f 湿度触发的双形态纤维；g 具有动态热管理能力的湿度响应织物。

VI 实际应用

纺织品作为人体皮肤与环境之间的界面，在维持和提供舒适性方面发挥着关键作用。然而，随着全球变暖的影响以及极端环境的增多，传统纺织品往往不足以适应复杂的环境条件。这一局限性不仅影响穿戴者的舒适度，还需要使用传统的热管理装置进行温度调节。为解决这一挑战，已经开发出多种智能纺织品，并根据其能源需求划分为主动型(图8a)和被动型(图8b)两类。主动型纺织品通常需要外部能源输入，而被动型纺织品则能自发适应环境变化，无需额外能量输入。

根据现有统计数据，建筑能耗约占全球总能源消耗的30%到40%，并贡献了大约10%的年度碳排放，其中60%的能源用于传统的供暖和制冷，而且这一趋势每年都在增加。因此开发可持续的辐射热管理技术以减少化石燃料使用和碳排放已成为迫切的优先任务。基于此，研究者们将动态辐射热管理技术引入到建筑领域中，开发了应用于多个方面的动态辐射热管理材料。根据其在建筑中的组成部分，可将其主要用途划分为智能窗(图8c, d)、建筑屋顶(图8e)、建筑围栏(图8f)及涂层四类(图8g)。

图9. a, b 动态辐射热管理在个人热管理中的应用。a 具有可切换属性的主动式热管理纺织品；b 被动自适应热管理纺织品；c-g 动态热管理在节能建筑中的应用。c 基于热致变色水凝胶的智能窗及节能效果；d 电致变色智能窗及节能效果；e 用于屋顶应用的具有动态辐射热管理特性的类三明治纺织品；f 用于建筑围栏的电致变色器件及节能效果；g 用于建筑外墙的自适应涂层及节能效果。

车辆已成为日常生活中不可或缺的一部分。但在炎热的夏季或寒冷的冬季，极端温度可能导致车内温度的大幅波动，影响驾驶员的舒适度，严重时还可能带来安全风险，因此车辆热管理的有效性已成为一个紧迫的优先任务。为此，Ly等人开发了一种能实现户外车辆全季节热管理的双模APM(图10a)。

热电发电机(TEG)是一种能源转换装置，随着热管理技术的进展，利用可再生能源进行发电的概念引起了广泛的研究兴趣。有研究者通过在TEG装置两侧引入光谱适应性相变，从而实现了全天候发电(图10b)。Tang等人则制备了一种基于热响应水凝胶的红外自适应辐射冷却器，模拟结果表明配备该辐射冷却器的PV-TEG混合系统可使白天发电量增加20 kWh m−2，并在夜间使热电功率翻倍(图10c)。

除上述讨论的应用外，动态辐射热管理在其他多种应用中也具有广阔的前景，如CO₂的变温吸附(图10d)、全天候淡水收集(图10e)、酒精发酵中的温度控制(图10f)、智能除冰(图10g)及用于光催化应用中的热光门反应系统(图10h)。

图10. a 动态辐射热管理在车辆热管理中的应用；b, c 动态辐射热管理在热电发电机(TEG)中的应用。b 基于相变材料的TEG，用于全天候可持续电力供应；c用于温差发电的红外自适应辐射冷却装置及发电效率模拟；d-h 动态辐射热管理的潜在应用。d CO₂的变温吸附；e 全天候淡水收集；f 酒精发酵中的温度控制；g 智能除冰；h 用于光催化应用的热光门反应系统。

VII 挑战

尽管动态辐射热管理领域已取得了显著进展，但在实际可扩展应用中仍面临一些挑战(图11)。首先，在实际应用的前提准备方面，当前动态辐射热管理应用的演示大多依赖于概念性仿真实验，这些实验在某种程度上具有高度理想化的特征。而现实环境中，环境因素复杂且多变，因此，弥合实验室概念验证研究与实际应用之间的差距至关重要。其次，当前研究中的测试方法和结果各异，缺乏统一的标准化方法或参考标准。此外，从实际应用的角度来看，动态辐射热管理技术在很大程度上依赖于自然条件。太阳辐射或大气条件的微小变化可能影响热管理性能的稳定性，但应对这一局限性的策略尚未得到充分探索。另一个不可忽视的问题是，实际应用中不可避免地会遇到雨雪、冰雹等恶劣天气条件，因此有必要提高这些材料的耐腐蚀性、抗老化性和稳定性。对于个人热管理应用，还必须考虑穿戴舒适性和环境友好性。从经济角度来看，大多数动态辐射热管理材料的制造过程涉及复杂且昂贵的方法，这些方法不适合大规模生产。因此，降低生产成本和简化制造工艺是大规模应用的必要前提。最后，从美学角度来看，目前的动态辐射热管理材料缺乏足够的色彩多样性。在不牺牲光学性能的情况下，提升这些材料的美学效果以满足用户的审美和文化期望，仍然是一个持续的挑战。

图11. 动态辐射热管理大规模应用的实际挑战与前景。

VIII 总结

依赖可再生能源的辐射热管理技术近几年引起了研究者们的广泛关注，然而在没有额外能源输入的情况下实现全年热管理仍然是一个巨大的挑战。近期，动态辐射热管理技术作为最有前景的解决方案应运而生，提供了适应季节性变化的能源高效调节潜力。这篇综述系统地介绍了动态辐射热管理的最新进展，涵盖了基本原理、切换机制、主要材料和应用领域。此外，还讨论了阻碍动态辐射热管理技术广泛应用的关键挑战。通过突出其变革性潜力，本综述为这些创新的设计和工业可扩展性提供了见解，同时希望实现促进可再生能源在热管理应用中整合的目的。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区Top期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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