MTP：相变材料赋能自适应动态热辐射

论文信息：Jiannan Dong, Zhongyang Wang, Linjing Qiao, Hao Gong, Xiao Zhou, Tongxiang Fan,Dynamic thermal radiation in self-adaptive intelligent thermal management,Materials Today Physics,2026,102199,ISSN 2542-5293.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102199

研究背景

自适应智能热管理要求器件或航天器外表能随温度、辐射环境动态调节发射率，以实现辐射制冷、红外隐身与航天热控。传统材料发射率固定，只能靠改变温度被动响应，难以兼顾强太阳抑制与大气窗口高效发射。相变材料在温度变化下发生金属—绝缘体转变或晶化，可带动红外发射率出现大动态差，成为动态热辐射的核心载体。难点在于将相变物性、纳米光子结构、太阳波段低吸收与目标红外波段高调制集成到同一复合体系，并在复杂环境中长期稳定工作。

研究内容

动态热辐射的本质可通过斯特藩—玻尔兹曼关系理解：辐射能量与发射率ε成正比。当环境辐照和内部产热变化时，若ε不随辐射负荷自适应增减，表面温度会过度升高或降低。因此，用温度触发ε(T)而非额外添加主动温控，是自适应热管理的关键路径。

图2。自适应智能热管理系统中的动态热辐射过程。

实现动态发射率的材料主要分为三类相变体系，其分类与结构路径如Fig.1所示。钙钛矿锰氧化物AMnO₃通过A位掺杂形成Mn³⁺/Mn⁴⁺共存的渗流型金属—绝缘体转变，可在近室温产生Δε约0.45–0.65，配合介质层能压低太阳吸收，优势是航天环境稳定、相变温度可调，但可见光吸收偏高。VO₂在约68℃发生绝缘体—金属相变，低温红外高透、高温强反，横跨智能窗、中红外伪装与太赫兹调制；其调制深、可逆快，但相变温度高于室温、循环稳定性不足。GST则利用非晶—晶化相变，在可见近红外受结构重排主导，中红外受电子关联影响，太赫兹呈金属态强吸收，优势是非易失、纳秒切换，弱点是循环分相与长期稳定性差。

图1.动态发射率材料实现动态热辐射的分类和途径。

VO₂的多波段应用尤为丰富。在可见光—近红外波段，它主要用于节能智能窗，通过多层优化平衡透光率与太阳能调制；中红外波段则用于自适应伪装，可呈现正或负微分发射行为，借助F-P腔或微结构增强Δε；远红外与太赫兹段依靠相变调节电磁穿透，实现吸收调制与成像。这些特性使VO₂成为从建筑温控到红外隐身的多功能材料。

图5. VO2的晶体结构和基于VO2的动态热辐射结构设计。（a金红石和单斜理想Vb2结构[。（b太阳吸收（AM 0和大气透射率。（c智能窗的概念，Vb2/ZnSe/ITb多层优化和示意图。（d基于Vb2的理想智能窗工作图和微晶结构照片。（辐射冷却复合材料示意图（红色为金属相，蓝色为绝缘体相和掺W Vb2复合材料的制备。

GST及其衍生硫系材料则拓展了动态热辐射的维度。GST通过超表面、纳米带等结构实现中红外动态发射，并利用激光写值完成多级伪装；其折射率跨波段可调，支持双带发射、梯度多层与生物传感。新兴材料如IST、Sb₂S₃和GeTe进一步引入宽谱开关、角敏感辐射和电可编程像元，将调制对象从发射率大小扩展到角度响应与空间编程。

图8。GST的晶体结构和基于GST的动态热辐射结构设计。（a GST的非晶、亚稳定和稳态晶体结构。（b基于Au/Sib2/GST/Au多层的超薄可重构超表面，具有多光谱热发射的动态控制。（c通过GST/Sib2纳米带结构增强的远场相干热发射。（d红外热的动态和多级调谐通过一步超快激光写入方法在GST薄膜上发射。

仅靠材料本征Δε不足以满足复杂需求，结构增强策略至关重要。掺杂通过晶格畸变、杂质能级和极化子改变电子与声子响应；多层膜利用金属—介质—金属F-P腔产生相干驻波，实现特定波长高发射；超材料与超表面则借助局域等离、Mie散射和磁极化子进行亚波长增强。这些机制常与相变材料耦合，例如VO₂结合F-P或磁性极化子，可在大气窗口获得Δε>0.7。ENZ模式、生物仿生Janus结构及外场耦合进一步将静态设计推向可编程智能系统。

图。10.发射率的增强机制。（a）Jahn-Teller下的晶体晶格失真效果导致材料的发射率增强。（b）F-P腔体和驻波的构造生成。（c）元表面的发射率增强。（d）晶格失真和发射长石材料掺杂下的增强。（e）具有最佳厚度设计的F-P腔体结构的发射率增强和冷却效果的示意图。（f）在不同磁极化兴奋子反应下增强了元表面的发射率。

实际应用中，航天热控采用AMnO₃或多层VO₂智能散热器，高温高发射、低温低发射，减少主动加热功耗；建筑智能窗通过VO₂多层兼顾透光与辐射制冷；红外隐身利用VO₂和GST实现自适应低可探测与散热兼容；信息加密则借助掺杂VO₂的多相变温度与光子晶体防裸眼识别。这些场景要求动态性能平衡，而非单一追求大Δε。

图。11.基于PCM的动态热辐射材料的应用。（a）Mo掺杂VO：用于智能红外隐身的粉末。（b）用于超宽带雷达和可切换红外隐身的兼容元表面。（c）集成双带散热和全红外带隐身的动态热辐射材料的应用。（d）空间对地应用中用于隐身和辐射散热的动态热辐射材料。（e）基于W掺杂VO复合材料的多级信息加密。（f）在不同情况下为所有美国气候区构建节能地图。（g）用于辐射冷却的温度自适应智能窗口。（h）基于VO的自适应彩色辐射冷却器（CRC）具有出色的冷却性能。

结论与展望

该综述梳理了相变材料驱动动态热辐射的“材料本征相变—结构光子增强—系统自适应应用”主线。当前主要矛盾是大Δε常与稳定性、低太阳吸收、循环寿命冲突。未来方向包括：多目标性能平衡，按场景协同优化α、Δε、角稳定与响应迟滞；AI反向设计，构建跨尺度光学常数—结构—发射数据库，加速材料筛选；低成本大面积制备，推动卷对卷薄膜、曲面均匀沉积与芯片封装兼容工艺。动态热辐射正从温度触发走向多刺激、跨波段、可预测的智能热管理平台。