被动日间辐射制冷技术被誉为“不用电的空调”,但长期以来受困于“只能白色、立面失效、冬季反制冷、易积灰衰减”等难题。近日,武汉简一科技有限公司(简称“简一科技”)联合华中科技大学共同发明的专利“一种六维调控的智能辐射制冷与热管理涂层及其制备方法与应用”正式公开。该公司在全球首次实现高太阳反射、窄带选择性高发射、角度定向发射、超疏水自清洁、视觉选择性窄带吸收显色、温度自适应太阳反射六大功能于单一涂层,系统性解决了辐射制冷技术走向大规模应用的最后瓶颈。

第三方能耗模拟及实测数据显示:该涂层在夏热冬冷地区全年综合节能率达30%–40%,立面制冷功率保持率超过90%,深色外观下太阳反射率仍可达89%以上,且具备超疏水自清洁和冬夏自动切换的智能热管理能力。简一科技表示,该产品是全球首个同时实现“全建筑适用、深色外观兼容、冬夏自适应、长效自清洁”的辐射制冷解决方案,技术代差领先行业3–5年,已形成覆盖材料配方、微纳结构、制备工艺的系统性专利组合。

一、行业背景:辐射制冷技术的机遇与长期未能跨越的鸿沟

自2014年被动日间辐射制冷技术首次在《自然》杂志报道以来,商业化产品多采用“高太阳反射率(≥95%)+ 全波段高红外发射率(≥0.95)”的二维设计。然而,实际应用中五大缺陷日益凸显:

非窗口波段无效发射:涂层在3–8μm及14–25μm波段的红外发射被大气吸收后部分返回地面,净制冷功率损失20%–40%。

立面制冷失效:各向同性发射导致垂直立面仅有30%–40%的热量指向天空,净制冷功率远低于屋顶。

颜色与制冷不可兼得:为保持高反射,产品只能白色;添加常规颜料则制冷功能丧失。

季节适应性缺失:恒定高反射涂层在冬季拒太阳热量于门外,在夏热冬冷地区全年综合能耗可能不降反升。

表面污染衰减:灰尘、油污附着导致性能快速下降,缺乏长效自清洁能力。

简一科技的六维调控体系,每个维度精准对应上述一个或多个痛点,形成了完整的闭环解决方案。

二、六维调控:从材料到结构的系统创新

六大维度协同作用,构建了从材料配方、微纳结构到智能响应的完整技术壁垒。

维度 调控内容 关键指标 解决的痛点
第一维 高太阳反射 0.3–2.5μm反射率≥95% 基础制冷
第二维 窄带选择性高发射 8–13μm发射率≥0.95;非窗口≤0.30 无效发射损失
第三维 角度定向发射 天顶角0–30°发射率≥0.90;立面制冷功率达屋顶90%以上 立面互热失效
第四维 超疏水自清洁 水接触角≥150°,滚动角≤10°;污染后反射率恢复率>95% 积灰衰减
第五维 视觉选择性窄带吸收显色 540–570nm半高宽5–15nm;深色外观下反射率≥89% 颜色与制冷矛盾
第六维 温度自适应太阳反射 >20℃反射率≥95%;<20℃反射率≤40% 冬夏季节矛盾

六大维度并非简单叠加,而是通过材料之间的协同效应(如VO₂相变与高折射率填料的配合、磁场取向与片状填料的匹配、稀土离子窄带吸收与V(λ)函数的精确对齐)实现了1+1>2的整体性能。

三、各维度技术核心亮点

第一维:高太阳反射
采用多级粒径的高折射率无机填料,实现太阳光谱全波段强烈散射,加权反射率高达95%以上,实测值远高于传统白色涂料。

第二维:窄带选择性高发射
利用声子共振材料,仅在8–13μm大气窗口高效辐射散热,同时抑制非窗口波段的无效发射,避免热量被大气“挡回”,净制冷功率较传统方案提升25%以上。

第三维:角度定向发射
通过磁场诱导片状填料取向,在涂层内部构建向天顶开口的红外微腔,使热辐射集中朝天。立面制冷功率与屋顶水平放置相当,将辐射制冷的应用范围从屋顶扩大至全建筑外表面。

第四维:超疏水自清洁
表面构建微纳粗糙结构并低表面能修饰,实现超疏水状态。雨水滚落时自动带走灰尘,长期保持高反射性能,免人工清洗。

第五维:视觉选择性窄带吸收显色
利用人眼对特定波段最敏感的特性,采用稀土系无机颜料,以极窄的吸收峰实现深色外观,却几乎不牺牲太阳反射率。深灰、墨绿、深蓝等颜色可选,打破辐射制冷只能白色的局限。

第六维:温度自适应太阳反射
引入热致变色微胶囊,以20℃为界自动切换反射状态:夏季高反射(强制冷),冬季低反射(主动吸热采暖)。全年综合节能率较传统辐射制冷材料提升一倍以上,真正实现冬暖夏凉。

四、专利公开的核心配方与制备工艺

简一科技在发明专利中公开了涂层的三层结构设计:

基底粘接层:丙烯酸酯或环氧类底漆,增强与基材的附着力。

复合功能层:由低红外吸收树脂与多种功能填料组成,是六维调控的核心载体。

表面定向微结构层:通过磁场诱导片状填料取向形成,实现热辐射的角度定向发射。

核心组分:涂层中包含高折射率反射填料、声子共振发射填料、磁性角度调控填料、稀土窄带吸收显色颜料、热致变色微胶囊(Mg-VO₂@TiO₂)以及可选的光催化自清洁纳米粒子。

关键制备工艺:将上述组分与树脂、助剂高速分散制浆,采用喷涂或辊涂方式施工。在涂层表干阶段施加定向磁场,使片状填料产生预定倾斜取向,从而形成向天顶开口的红外微腔结构。随后对表面进行粗糙化处理和氟硅烷疏水修饰,最后加热固化即可完成。

该制备工艺兼容现有涂料施工设备,只需增加磁场辅助工装,适合大面积工程应用。

五、与传统辐射制冷涂料对比

与传统辐射制冷涂料相比,简一科技的六维涂层在多个维度实现显著提升:

性能对比 传统辐射制冷涂料 简一六维涂层
夏季太阳反射率 ≥95% ≥95%
冬季太阳反射率 ≥95%(不利采暖) ≤40%(主动吸热)
立面制冷功率 15–20 W/m² 60–65 W/m²
外观颜色 仅白色 深灰/墨绿/深蓝等
自清洁能力 无 超疏水
全年综合节能率(夏热冬冷地区) 15–20% 30–40%

该产品可广泛应用于:

建筑节能:屋顶及外墙,降低空调能耗30–50%;

户外设备:通信基站、电力柜、储能集装箱,内部降温5–12℃,延长设备寿命;

交通车辆:汽车、高铁、船舶外壳,降低车内温度;

特殊场景:粮仓、油罐、化工储罐,减少呼吸损耗30–50%。

六、技术壁垒与产业化进展

简一科技围绕六维调控技术构建了严密的专利保护体系,核心技术权利要求覆盖功能填料组合、三层结构、磁场取向工艺及立面应用等关键环节。该技术代差领先同行3–5年。

目前,公司已基于无电辐射制冷技术推出两款成熟产品:“岚界”无电制冷窗膜(适用于建筑玻璃等)和“维恩”无电辐射制冷涂料(适用于建筑外墙、屋顶及户外设备)。产品无需外部能源即可实现持续降温,实测制冷效果显著。

在此基础上,公司进一步基于六维调控技术开发出新一代辐射制冷涂层实物样卡,涵盖多种建筑级色彩,标志着该技术从专利走向实物的关键一步。样卡实物已正式推出,可供潜在客户及合作伙伴直观体验。

产业化方面,公司已启动中试生产,计划2027年实现规模化量产。后续研发方向包括进一步提高反射率调制幅度、与光伏技术集成实现“发电-制冷”一体化,以及推进绿色建材认证和国际被动房协会(PHI)认证。

七、关于简一科技

武汉简一科技有限公司是一家深耕功能性膜材料及辐射制冷技术研发、生产与运营的国家高新技术企业。公司总部位于中国光谷,致力于通过持续的材料创新,为建筑、交通、工业及家居等领域提供高性能、零能耗的热管理与防护解决方案。

核心业务:公司研发与生产建筑窗膜、家居保护膜、电控调光膜、抗菌膜、汽车膜,以及基于无电辐射制冷技术的“岚界”制冷窗膜和“维恩”辐射制冷涂料等产品。产品广泛应用于汽车、建筑、工业设备及家居表面,深受客户信赖。

公司拥有国内外专利30余项,核心团队在热物理、材料化学、光学工程领域拥有超过15年研发经验。简一科技正以“打造高性能材料应用领域的中国标杆”为目标,持续提升全球影响力。