航天器在軌運行面臨強太陽輻照、深空冷背景、熱循環以及質子、電子、原子氧和紫外輻照等復雜空間環境，表面熱控材料不僅需要具備低太陽吸收率和高紅外發射率，以實現高效被動輻射散熱，還需要具備實時溫度感知能力，以便及時識別局部熱異常。傳統無機熱控涂層多關注輻射冷卻性能，但缺乏原位監測功能；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勢，但增強熒光響應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構協同設計，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射，寬帶隙ZrO2基體維持低太陽吸收，優化后的亞微米球結構增強太陽波段后向散射。最終，該涂層在約100 μm厚度下實現αs=0.076、ε=0.931，并兼具優異空間輻照穩定性，為智能航天器熱管理提供了可擴展的多功能涂層方案。上海交通大學王忠陽副研究員、范同祥教授、周嘯副教授團隊的相關工作以Dual-Functional Photonic Metacoating Integrating Fluorescence Thermometry and High-Performance Space Radiative Cooling為題發表在Nano-Micro Letters期刊。

該工作首先設計了Eu摻雜ZrO2亞微米球（EZS）超涂層的空間應用場景、工作機制及材料結構，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，結合DFT、Tauc plots、XRD、激發/發射光譜和熒光壽命分析Eu摻雜對帶隙和發光性能的影響，確定8.48% Eu為最佳摻雜含量（圖2）。進一步通過約束梯度優化、網格搜索、Mie散射和實驗光譜測試，確定0.756 μm粒徑、35%體積分數和約100 μm厚度為低太陽吸收最優結構（圖3）。在此基礎上，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/文獻涂層的優勢（圖4）。隨后，基于溫度依賴熒光光譜、壽命和熒光強度比實現173–433 K測溫（圖5）。最后，通過質子、電子、原子氧、紫外、復合輻照和熱循環測試，證明涂層具備良好的空間環境耐受性（圖6）。

圖1 EZS超涂層的工作機制及EZS的表征。a）航天器表面受到質子、電子、原子氧和紫外暴露、熱循環以及溫度監測的示意圖。b）EZS超涂層集成低太陽吸收率αs、高紅外發射率ε、熒光測溫和優異空間環境耐久性的概念圖。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及其邊緣區域的HAADF-STEM圖像。g）HR-TEM圖像及對應SAED圖。h）AC-HAADF-STEM顯微結構圖。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光學和光致發光性能的調控。a）以Eu3+為發光中心的EZS四方晶體結構。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光譜。g）不同摻雜濃度樣品的發射光譜。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–發射二維等高圖。

圖3. EZS超涂層的光子結構優化。a）對100 μm厚超涂層進行約束梯度優化，獲得粒徑和體積分數對應的最優低αs區域。b）通過網格搜索得到的αs最優區域映射圖。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射率光譜。e）不同粒徑EZS的散射系數光譜及0.5μm入射光下的相函數。f）不同體積分數EZS超涂層的反射率和發射率光譜。g）不同粒徑和體積分數EZS超涂層的αs和ε對比。

圖4. EZS超涂層的結構、光學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激發下EZS、K2SiO3和超涂層在Al片上的光學照片。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激發下的EZS超涂層照片。i）在有/無加熱輸入及光源開關循環條件下，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光和測溫性能。a）395 nm激發下EZS的溫度依賴發射光譜。b）395 nm激發下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：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+作為發光中心、寬帶隙ZrO2作為低吸收基體，并通過亞微米球光子結構優化實現太陽波段強后向散射。材料層面，Eu3+局域4f態提供穩定、溫度敏感的紅光發射，同時不顯著縮窄ZrO2帶隙；結構層面，0.756 μm粒徑和35%體積分數使涂層在約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，在模擬空間真空環境中可使Al片降溫約77 °C，并優于TiO2、ZnO和Zn2TiO4等參考涂層。同時，該涂層可在173–433 K范圍內實現非接觸熒光測溫，最大相對靈敏度為0.797% K?1。此外，經過質子、電子、原子氧、紫外、復合輻照和熱循環后，涂層仍保持較低的太陽吸收αs、穩定的紅外發射ε和可靠熒光響應，說明其具備較強在軌應用潛力，為未來智能化航天器熱控材料設計提供了重要參考。

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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