文獻前沿|Nano-Micro Lett.：集成熒光測溫與高性能空間輻射冷卻的雙功能光子超涂層

航天器在軌運行面臨強太陽輻照、深空冷背景、熱循環(huán)以及質(zhì)子、電子、原子氧和紫外輻照等復(fù)雜空間環(huán)境，表面熱控材料不僅需要具備低太陽吸收率和高紅外發(fā)射率，以實現(xiàn)高效被動輻射散熱，還需要具備實時溫度感知能力，以便及時識別局部熱異常。傳統(tǒng)無機熱控涂層多關(guān)注輻射冷卻性能，但缺乏原位監(jiān)測功能；而熒光測溫雖具有非接觸、高空間分辨率和抗電磁干擾等優(yōu)勢，但增強熒光響應(yīng)通常會引入可見光吸收，從而增加太陽吸熱并削弱輻射冷卻性能。針對這一矛盾，該工作提出一種Eu摻雜ZrO2亞微米球光子超涂層，通過材料組成與光子結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計，將高性能空間輻射冷卻與高靈敏熒光測溫集成于同一涂層體系中。Eu3+提供溫度敏感的紅光發(fā)射，寬帶隙ZrO2基體維持低太陽吸收，優(yōu)化后的亞微米球結(jié)構(gòu)增強太陽波段后向散射。最終，該涂層在約100 μm厚度下實現(xiàn)αs=0.076、ε=0.931，并兼具優(yōu)異空間輻照穩(wěn)定性，為智能航天器熱管理提供了可擴展的多功能涂層方案。上海交通大學(xué)王忠陽副研究員、范同祥教授、周嘯副教授團隊的相關(guān)工作以Dual-Functional Photonic Metacoating Integrating Fluorescence Thermometry and High-Performance Space Radiative Cooling為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊。

該工作首先設(shè)計了Eu摻雜ZrO2亞微米球（EZS）超涂層的空間應(yīng)用場景、工作機制及材料結(jié)構(gòu)，并通過SEM、EDS、HAADF-STEM、AC-HAADF-STEM和XPS證明Eu均勻摻入ZrO2晶格（圖1）。隨后，結(jié)合DFT、Tauc plots、XRD、激發(fā)/發(fā)射光譜和熒光壽命分析Eu摻雜對帶隙和發(fā)光性能的影響，確定8.48% Eu為最佳摻雜含量（圖2）。進一步通過約束梯度優(yōu)化、網(wǎng)格搜索、Mie散射和實驗光譜測試，確定0.756 μm粒徑、35%體積分數(shù)和約100 μm厚度為低太陽吸收最優(yōu)結(jié)構(gòu)（圖3）。在此基礎(chǔ)上，作者驗證了大面積噴涂制備、真空AM0條件下的輻射冷卻性能和相對商業(yè)/文獻涂層的優(yōu)勢（圖4）。隨后，基于溫度依賴熒光光譜、壽命和熒光強度比實現(xiàn)173–433 K測溫（圖5）。最后，通過質(zhì)子、電子、原子氧、紫外、復(fù)合輻照和熱循環(huán)測試，證明涂層具備良好的空間環(huán)境耐受性（圖6）。

圖1 EZS超涂層的工作機制及EZS的表征。a）航天器表面受到質(zhì)子、電子、原子氧和紫外暴露、熱循環(huán)以及溫度監(jiān)測的示意圖。b）EZS超涂層集成低太陽吸收率αs、高紅外發(fā)射率ε、熒光測溫和優(yōu)異空間環(huán)境耐久性的概念圖。c）不同粒徑EZS的SEM圖像，粒徑分別為0.254、0.525、0.756和1.049 μm。d）0.756 μm EZS的EDS元素面分布圖。e）不同合成條件下的Eu摻雜含量。f）單個EZS及其邊緣區(qū)域的HAADF-STEM圖像。g）HR-TEM圖像及對應(yīng)SAED圖。h）AC-HAADF-STEM顯微結(jié)構(gòu)圖。i）原子尺度EDS元素分布圖。j）Zr、Eu和O原子的分布分析。k）EZS的Zr 3d XPS譜。l）EZS的Eu 3d XPS譜。

圖2. EZS光學(xué)和光致發(fā)光性能的調(diào)控。a）以Eu3+為發(fā)光中心的EZS四方晶體結(jié)構(gòu)。b）未摻雜ZrO2的PDOS。c）8.33% Eu摻雜ZrO2的PDOS。d）不同摻雜濃度樣品由Tauc plots得到的光學(xué)帶隙Eg。e）不同摻雜濃度樣品的XRD圖譜。f）不同摻雜濃度樣品的激發(fā)光譜。g）不同摻雜濃度樣品的發(fā)射光譜。h）不同摻雜濃度樣品在λem=606 nm、λex=395 nm條件下的熒光衰減曲線。i）8.48% EZS的激發(fā)–發(fā)射二維等高圖。

圖3. EZS超涂層的光子結(jié)構(gòu)優(yōu)化。a）對100 μm厚超涂層進行約束梯度優(yōu)化，獲得粒徑和體積分數(shù)對應(yīng)的最優(yōu)低αs區(qū)域。b）通過網(wǎng)格搜索得到的αs最優(yōu)區(qū)域映射圖。c）不同粒徑EZS超涂層的SEM圖像。d）不同粒徑EZS超涂層的反射率和發(fā)射率光譜。e）不同粒徑EZS的散射系數(shù)光譜及0.5μm入射光下的相函數(shù)。f）不同體積分數(shù)EZS超涂層的反射率和發(fā)射率光譜。g）不同粒徑和體積分數(shù)EZS超涂層的αs和ε對比。

圖4. EZS超涂層的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和輻射冷卻性能表征。a）0.5 m × 0.5 m大面積EZS超涂層照片。b）EZS超涂層的截面SEM圖像。c）表面SEM圖像及對應(yīng)EDS元素分布，顯示涂層厚度約100 μm且EZS分散均勻。d）在50°C達到熱平衡后，EZS、K2SiO3和超涂層在Al片上的紅外熱像圖。e）395 nm激發(fā)下EZS、K2SiO3和超涂層在Al片上的光學(xué)照片。f）EZS超涂層與其他全無機輻射冷卻涂層在不同αs下的凈冷卻功率比較。g）模擬空間條件的真空實驗裝置示意圖。h）AM0光照和395 nm激發(fā)下的EZS超涂層照片。i）在有/無加熱輸入及光源開關(guān)循環(huán)條件下，EZS超涂層、Al片和參考涂層的溫度演化曲線。

圖5. EZS超涂層的溫度依賴發(fā)光和測溫性能。a）395 nm激發(fā)下EZS的溫度依賴發(fā)射光譜。b）395 nm激發(fā)下EZS的熒光衰減曲線。c）熒光強度比FIR（I548/I606）隨溫度的變化。d）絕對靈敏度Sa和相對靈敏度Sr隨溫度的變化。e）EZS超涂層與代表性發(fā)光測溫氧化物的吸收邊波長λg和最大Sr對比。

圖6. EZS超涂層在模擬空間環(huán)境下的抗輻照性能。a）不同輻照前后EZS超涂層的反射率和發(fā)射率光譜。b）4 cm × 4 cm樣品在不同輻照前后的照片。c）不同輻照前后αs和ε的比較。d）?196至150 °C熱循環(huán)后的示意圖和樣品照片。e）不同輻照前后EZS超涂層的EPR譜。f）不同輻照前后Zr 3d XPS譜。g）不同輻照前后Eu 3d XPS譜。h）不同輻照后EZS超涂層與其他全無機輻射冷卻涂層的αs對比。

小結(jié)：該工作突破了熒光測溫增強會增加太陽吸收并削弱輻射冷卻的性能矛盾。作者選擇Eu3+作為發(fā)光中心、寬帶隙ZrO2作為低吸收基體，并通過亞微米球光子結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)太陽波段強后向散射。材料層面，Eu3+局域4f態(tài)提供穩(wěn)定、溫度敏感的紅光發(fā)射，同時不顯著縮窄ZrO2帶隙；結(jié)構(gòu)層面，0.756 μm粒徑和35%體積分數(shù)使涂層在約100 μm厚度下獲得最低太陽吸收率。性能上，該涂層實現(xiàn)αs=0.076、ε=0.931和323.69 W m?2凈冷卻功率，在模擬空間真空環(huán)境中可使Al片降溫約77 °C，并優(yōu)于TiO2、ZnO和Zn2TiO4等參考涂層。同時，該涂層可在173–433 K范圍內(nèi)實現(xiàn)非接觸熒光測溫，最大相對靈敏度為0.797% K?1。此外，經(jīng)過質(zhì)子、電子、原子氧、紫外、復(fù)合輻照和熱循環(huán)后，涂層仍保持較低的太陽吸收αs、穩(wěn)定的紅外發(fā)射ε和可靠熒光響應(yīng)，說明其具備較強在軌應(yīng)用潛力，為未來智能化航天器熱控材料設(shè)計提供了重要參考。

論文信息：H. Gong, L. Tong, Z. Wang, X. Song, H. Li, Z. Zhao, Y. Zheng, G. Liu, H. Luan, S. Xiong, T. Fan, X. Zhou. “Dual-Functional Photonic Metacoating Integrating Fluorescence Thermometry and High-Performance Space Radiative Cooling.” Nano-Micro Letters(2026) 18: 349. https://doi.org/10.1007/s40820-026-02195-8

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