上交范同祥等：双功能光子超涂层集成荧光测温与高性能空间辐射制冷

Dual-Functional Photonic Metacoating Integrating Fluorescence Thermometry and High-Performance Space Radiative Cooling

Hao Gong, Zhongyang Wang*, Yan Zheng, Liping Tong, Hongchao Li, Zhiyuan Zhao, Junjia Liu, Gang Liu, Xiao Zhou*, Tongxiang Fan*

Nano-Micro Letters (2026)18: 349

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02195-8

本文亮点

1. 构建了兼具空间辐射制冷与荧光测温功能的Eu掺杂ZrO₂亚微米球双功能超涂层。

2. 通过光子结构与材料协同设计，在约100 μm厚的超涂层中实现了超低太阳吸收率(αₛ＝0.076)和高发射率(ε＝0.931)。

3. 该超涂层按论文模型评估的净制冷功率为323.69 W m⁻²，可在173—433 K范围内进行非接触测温，最大相对灵敏度为0.797% K⁻¹，并在模拟空间辐照测试中表现出较好的抗辐照性能。

研究背景

热管理决定着航天器的运行边界，因为温度波动会直接影响高功率任务的执行性能。传统辐射制冷涂层结合低太阳吸收率(αₛ)、高热发射率(ε)与薄层设计，通过向深空冷源高效散热，为被动热调节提供了一条无需额外能耗的途径。为抑制太阳能输入，通常采用ZnO、Zn₂SiO₄、MgGa₂O₄和ZrO₂等具有高折射率或宽带隙的氧化物，以最大限度地增强太阳光后向散射。然而，常规氧化物涂层缺乏原位健康监测能力，因此，集成精确、快速的温度传感功能，对及早发现热异常和维持航天器可靠性至关重要。热电偶、红外热成像及示温涂料等传统测温方法受到布线复杂、热扰动或精度有限等因素制约，难以适应极端空间环境。相比之下，荧光测温提供了一种非接触、高空间分辨率的光学方案，不依赖表面发射率且能抵抗电磁干扰，适用于严苛的空间环境。将荧光测温集成到辐射制冷涂层中，因而是构建兼具高效被动制冷与实时温度自感知能力的智能热管理系统的重要一步。

内容简介

荧光测温为复杂航天器表面热不稳定性的早期检测提供了非接触策略，有望用于在轨温度分布测量。然而，同时实现高灵敏度荧光测温与高效空间辐射制冷仍面临挑战，因为增强可见光吸收虽能改善测温响应，却也会增加太阳辐射引起的升温。针对这一矛盾，上海交通大学材料科学与工程学院、金属基复合材料国家重点实验室王忠阳副研究员、周啸副教授与范同祥教授团队，通过材料与结构协同设计，开发了一种集空间辐射制冷和荧光温度传感于一体的Eu掺杂ZrO₂亚微米球超涂层。研究结合约束梯度优化与网格搜索，对光子结构进行优化，得到亚微米球直径为0.756 μm、体积分数为35%的最优涂层，实现超低太阳吸收率(αₛ＝0.076)和高热发射率(ε＝0.931)。与此同时，以带隙调控为导向的成分优化确定了8.48%的最优Eu含量，赋予涂层优异的测温性能。该超涂层按论文模型评估的净制冷功率为323.69 W m⁻²，在模拟空间真空环境、AM0太阳照射与2 W内部加热同时存在时，相较裸铝片实现77 ℃的温度降低，性能优于代表性的氧化物基无机涂层。其测温范围覆盖173—433 K，最大相对灵敏度达到0.797% K⁻¹，超过具有相近吸收边的荧光氧化物。此外，在质子、电子、原子氧和紫外照射后，该超涂层仍保持较低的太阳吸收率和可靠的抗辐照性能，优于所比较的已报道涂层。结合可规模化制备的特点，本研究建立了兼具高效辐射制冷与高灵敏度荧光测温的双功能超涂层平台，为航天器智能热管理提供了新的材料方案。

图文导读

I 从空间热管理需求出发构建双功能亚微米球

图1a概括了航天器表面面临的质子、电子、原子氧、紫外辐照与冷热循环环境，同时引出原位温度监测的需求。图1b将这一需求转化为材料设计：Eu掺杂ZrO₂亚微米球(EZS)构成随机散射光子结构，降低太阳能吸收并维持高热发射率，Eu³⁺发光中心则在395 nm激发下产生可用于测温的荧光。制冷、测温与环境耐受性由此被纳入同一涂层体系。

图1c显示EZS直径可调至0.254、0.525、0.756和1.049 μm；图1d的元素分布及线扫描表明Zr、O、Eu在颗粒中较均匀分布；图1e则显示Eu含量可由1.93%调至10.81%，为筛选发光中心浓度提供了可控的组成范围。

图1f的HAADF-STEM呈现完整球形颗粒及其边缘结构，图1g的高分辨透射电镜与选区电子衍射进一步表明，亚微米球由细小晶粒构成，具有四方相多晶结构。图1h中0.307 nm的晶面间距对应四方ZrO₂的(101)晶面；结合图1i的原子尺度元素分布与图1j的强度线扫描，可以看到Eu进入Zr晶格位置的证据。图1k和图1l的XPS分别确认Zr⁴⁺与Eu³⁺化学态，说明发光离子已被引入氧化锆宿主，为后续保持宽带隙的发光调控奠定基础。

图1. 双功能设计及EZS结构表征。(a)空间环境与温度监测需求；(b)涂层工作原理；(c)不同粒径SEM；(d)EDS元素分布与线扫描；(e)Eu掺杂量；(f)单颗粒及边缘HAADF-STEM；(g)HRTEM与SAED；(h)球差校正HAADF-STEM；(i)原子尺度元素分布；(j)元素强度线扫描；(k)Zr 3d及(l)Eu 3d XPS。

II 局域铕发光中心兼顾强荧光与宽带隙

图2a以晶体结构示意Eu³⁺发光中心及其激发、发射过程。图2b与图2c分别给出未掺杂和理论Eu掺杂比例为8.33%的ZrO₂投影态密度：引入Eu后，宿主价带与导带整体特征基本保留，而导带边缘附近出现局域化的Eu 4f态。这些局域态能够支持发光，同时避免宿主带隙显著缩小，从电子结构层面缓解增强荧光与降低太阳吸收之间的矛盾。图2d的Tauc分析显示，8.48% Eu样品的光学带隙约为4.90 eV，与未掺杂样品的4.91 eV接近；图2e的XRD则揭示，随着Eu含量增加，氧化锆逐渐由单斜相向四方相转变。图2f的激发谱和图2g的发射谱共同显示，发光强度随Eu含量先升后降，在8.48%时达到最佳，继续提高含量则出现浓度猝灭。

这一趋势也反映在图2h的荧光衰减中：8.48%样品的寿命达到2.399 ms，而10.81%样品降至1.148 ms，表明过高掺杂会增强非辐射损失。图2i的激发—发射等高线图进一步锁定了385—400 nm激发与580—640 nm发射的主要响应区域，为采用395 nm激发并读取红光信号提供依据。成分优化因此不仅确定了亮度较高的发光体系，也保留了低太阳吸收所需的宽带隙宿主。

图2. Eu掺杂对光学与发光性能的调控。(a)晶体与发光示意；(b)未掺杂及(c)理论掺杂体系PDOS；(d)Tauc带隙分析；(e)XRD；(f)激发谱；(g)发射谱；(h)荧光衰减；(i)8.48% Eu样品的激发—发射图。

III 以粒径和填充比例优化太阳光后向散射

在确定发光组成后，研究进一步优化颗粒在涂层中的光子结构。图3a展示从不同粒径、体积分数组合出发的约束梯度优化轨迹，多组初始条件均收敛至直径约0.70—0.75 μm、体积分数约32%—36%的低吸收区域；图3b的网格搜索则从更大的参数范围检验这一最优区域。图3c对应展示不同粒径EZS在硅酸钾(K₂SiO₃)黏结剂中的分布形貌，将数值设计与可制备结构联系起来。

图3d的反射与发射光谱表明，粒径对太阳光波段反射的影响明显，而对红外发射的影响较小。图3e的散射系数及相函数进一步解释其原因：随着粒径增大，强散射区域向长波方向移动，后向散射特征也随之改变。因此，需要匹配太阳光谱的主要能量分布，而非单纯增大颗粒。图3f显示体积分数同样存在适宜范围，过低时散射中心不足，过高时颗粒拥挤又会削弱有效散射。

图3g汇总了两类变量对太阳吸收率与热发射率的影响。对约100 μm厚的涂层，粒径0.756 μm、体积分数35%的组合使αₛ降至0.076，并保持ε＝0.931；继续增大粒径或提高填充量并未带来更低吸收。材料组成控制发光，颗粒结构控制光散射，两者协同实现了低太阳吸收与高红外发射。

图3. 光子结构优化。(a)约束梯度优化轨迹；(b)粒径—体积分数网格搜索；(c)不同粒径涂层SEM；(d)不同粒径的反射与发射光谱；(e)散射系数与相函数；(f)不同体积分数的反射与发射光谱；(g)αₛ与ε比较。

IV 大面积制备与模拟空间环境验证制冷效果

图4a展示喷涂制备的0.5 m×0.5 m样品，说明该路线具备面积放大的可行性。图4b的截面及沿厚度方向不同深度的SEM表明，约100 μm厚的涂层中EZS分散较均匀，没有明显的厚度方向梯度；图4c的表面形貌与元素分布则显示，颗粒嵌入连续硅酸盐网络。图4d是在50 ℃达到热平衡后的红外图像，涂层相较裸铝呈现更强的红外辐射信号，反映的是发射率差异，不能直接解释为实际温度更高。图4e在395 nm激发下显示涂层均匀发出红光，证明大面积结构保留了荧光功能。

图4f将净制冷功率与太阳吸收率关联比较，EZS超涂层按论文模型评估的净制冷功率为323.69 W m⁻²，高于图中多种商业及已报道全无机涂层。为进一步检验实际温度响应，图4g搭建了带冷源内壁的真空实验系统，以1367 W m⁻²的AM0太阳模拟光和背面2 W加热器分别模拟太阳输入与内部发热；图4h展示样品在太阳模拟光及395 nm激发下的状态，说明制冷测试环境下仍可读取荧光。

图4i将开关灯和加热器切换过程串联起来，区分不同热负荷下的表现。仅太阳照射时，EZS涂层在约40 min后稳定于28.1 ℃，比裸铝低16.6 ℃；仅内部加热时，多种氧化物涂层因发射率相近而温度接近。太阳照射与内部加热同时存在时，EZS涂层比裸铝低77.0 ℃，并分别比TiO₂、ZnO和Zn₂TiO₄涂层低9.1、5.2和3.8 ℃。这一对比表明，在持续散热的同时减少太阳热输入，是其综合热管理优势的来源。

图4. 涂层结构、光学功能与制冷验证。(a)大面积样品；(b)截面与不同深度SEM；(c)表面SEM与EDS；(d)50 ℃热平衡红外图；(e)395 nm激发照片；(f)净制冷功率比较；(g)真空测试装置；(h)太阳模拟光与荧光激发下样品；(i)不同光照和加热工况的温度变化。

V 以荧光强度比实现宽温区非接触测温

图5a给出395 nm激发下的温度相关发射谱，随温度升高，荧光强度总体下降，反映热激活非辐射弛豫的增强。图5b中荧光寿命由173 K时的2.167 ms缩短至423 K时的1.543 ms，与热猝灭趋势一致。毫秒级寿命与清晰的温度依赖性共同为稳定的光学读数提供基础。

为将光谱变化转换为温度信号，研究采用548 nm与606 nm发射强度之比I₅₄₈/I₆₀₆。由于两条发射线的热猝灭程度不同，图5c中的荧光强度比随温度升高而增加，并可用修正玻尔兹曼关系拟合，决定系数R²为0.9941。图5d进一步给出灵敏度：绝对灵敏度Sₐ在433 K达到0.0134 K⁻¹，相对灵敏度Sᵣ在353 K达到0.797% K⁻¹，两者的最大值对应不同温度。

图5e将最大相对灵敏度与吸收边位置共同比较。EZS在保持较短吸收边、因而有利于低太阳吸收的同时，获得高于相近或更短吸收边参比材料的测温灵敏度。由此，173—433 K范围内的非接触测温不必以显著扩大太阳吸收为代价，体现出材料发光与光子结构协同优化的价值。

图5. 荧光测温性能。(a)温度相关发射谱；(b)荧光衰减曲线；(c)荧光强度比与温度的拟合；(d)绝对及相对灵敏度；(e)吸收边与最大相对灵敏度的文献比较。

VI 在辐照与热循环后保持有效热控能力

图6a比较质子、电子、原子氧、紫外及复合辐照前后的反射和发射光谱，结合图6b的实物照片可以看到，质子和原子氧作用后的变化较小，而电子、紫外及复合辐照引起更明显的可见光反射降低和颜色变化。图6c对此进行量化：αₛ由初始0.076分别增至0.090、0.110、0.088、0.159和0.174，但ε的变化均小于0.01。紫外与复合辐照后，涂层在300 K的评估净制冷功率仍分别为206.55和185.59 W m⁻²，说明其保留了有效制冷能力，而不是完全不受辐照影响。

图6d展示−196至150 ℃之间的热循环测试。经过150次循环，太阳吸收率增加0.032、发射率降低0.015，表明涂层在严苛冷热冲击后仍具有较好的光学稳定性。为解释辐照后的着色来源，图6e通过电子顺磁共振追踪缺陷变化：质子和原子氧引起的缺陷增加较少，电子和紫外则产生更明显的氧相关空穴中心。图6f的Zr 3d与图6g的Eu 3d XPS进一步揭示局域电荷环境变化，Eu仍主要保持三价，说明辐照主要改变局部电子结构，而非使发光中心发生大规模价态转变。

最后，图6h与不同类型全无机热控涂层进行对照，显示EZS在所比较辐照条件下仍具有较低的太阳吸收率。结合前述较稳定的红外发射与保留的荧光响应，这些结果支持其用于空间热管理的潜力，同时也明确了紫外和复合辐照引起吸收增加这一需要关注的性能变化。

图6. 模拟空间环境下的耐受性。(a)辐照前后反射与发射光谱；(b)样品照片；(c)αₛ和ε变化；(d)冷热循环示意与样品；(e)EPR；(f)Zr 3d及(g)Eu 3d XPS；(h)不同辐照后太阳吸收率的文献比较。

VII 总结

本研究展示了一种将高性能空间辐射制冷与高灵敏度荧光测温集成于一体的双功能EZS光子超涂层。在光子散射优化的指导下，通过独立调控四方相EZS的粒径与Eu含量，确定了Eu掺杂量8.48%、粒径0.756 μm、体积分数35%的最优配置，实现强Eu³⁺中心发光与低太阳吸收率。DFT计算和实验共同表明，局域化Eu³⁺ 4f态主导高效发光，而不会显著缩小带隙，从而维持较低的αₛ。所得超涂层的αₛ为0.076、ε为0.931，按论文模型评估的净制冷功率为323.69 W m⁻²。在模拟空间真空环境、AM0太阳照射与2 W内部加热同时存在时，其温度相较裸铝片低约77 ℃，并分别比TiO₂、ZnO和Zn₂TiO₄涂层低9.1、5.2和3.8 ℃。该涂层可利用荧光在173—433 K宽温区实现非接触测温，最大绝对灵敏度Sₐ为0.0134 K⁻¹，最大相对灵敏度Sᵣ为0.797% K⁻¹。EZS的宽带隙与Eu³⁺发射的大斯托克斯位移共同支持AM0照射下可靠的测温运行，而不牺牲辐射制冷性能。在质子、电子、原子氧、紫外及复合辐照后，该涂层在所比较体系中仍保持最低的αₛ与稳定的ε，优于商业及文献报道的参比涂层，体现出良好的抗辐照性；EPR和XPS分析则将辐照后的着色归因于氧空位和O⁻缺陷。总体而言，EZS超涂层结合辐射散热、温度自感知读出与抗辐照能力，为航天器智能热管理提供了可规模化、耐久的材料平台，也为发展能够在轨自主监测和调节热负荷的涂层提供了设计思路。

作者简介

王忠阳

本文通讯作者

上海交通大学副研究员

▍主要研究领域

空天光热调控超材料，负介材料。

▍主要研究成果

上海交通大学材料科学与工程学院副研究员。2014年获西北工业大学学士学位，2020年获山东大学博士学位，博士期间赴新加坡国立大学联合培养；随后在上海交通大学开展博士后研究。主要从事空天光热调控超材料研究，主持国家自然科学基金等科研项目，入选国家博士后创新人才支持计划，获上海市自然科学二等奖、中国材料研究学会科学技术奖二等奖等奖励。

▍Email：zy_wang@sjtu.edu.cn

周啸

本文通讯作者

上海交通大学副教授

▍主要研究领域

人工智能赋能的光热功能材料设计与应用，金属及金属基复合材料服役行为与力学损伤机理。

▍主要研究成果

上海交通大学材料科学与工程学院副教授、博士生导师，国家高层次青年人才计划入选者、上海市领军人才(海外)。2018年获加拿大麦吉尔大学工学博士学位，2018—2021年在瑞士洛桑联邦理工学院从事博士后研究。围绕光热功能材料智能设计与应用及金属基复合材料损伤机制开展研究，主持国家自然科学基金等项目，并在Phys. Rev. Lett.、Light Sci. Appl.、Acta Mater.等期刊发表成果。

▍Email：zhouxiao113@sjtu.edu.cn