航天器在轨运行面临强太阳辐照、深空冷背景、热循环以及质子、电子、原子氧和紫外辐照等复杂空间环境，表面热控材料不仅需要具备低太阳吸收率和高红外发射率，以实现高效被动辐射散热，还需要具备实时温度感知能力，以便及时识别局部热异常。传统无机热控涂层多关注辐射冷却性能，但缺乏原位监测功能；而荧光测温虽具有非接触、高空间分辨率和抗电磁干扰等优势，但增强荧光响应通常会引入可见光吸收，从而增加太阳吸热并削弱辐射冷却性能。针对这一矛盾，该工作提出一种Eu掺杂ZrO2亚微米球光子超涂层，通过材料组成与光子结构协同设计，将高性能空间辐射冷却与高灵敏荧光测温集成于同一涂层体系中。Eu3+提供温度敏感的红光发射，宽带隙ZrO2基体维持低太阳吸收，优化后的亚微米球结构增强太阳波段后向散射。最终，该涂层在约100 μm厚度下实现αs=0.076、ε=0.931，并兼具优异空间辐照稳定性，为智能航天器热管理提供了可扩展的多功能涂层方案。上海交通大学王忠阳副研究员、范同祥教授、周啸副教授团队的相关工作以Dual-Functional Photonic Metacoating Integrating Fluorescence Thermometry and High-Performance Space Radiative Cooling为题发表在Nano-Micro Letters期刊。
该工作首先设计了Eu掺杂ZrO2亚微米球（EZS）超涂层的空间应用场景、工作机制及材料结构，并通过SEM、EDS、HAADF-STEM、AC-HAADF-STEM和XPS证明Eu均匀掺入ZrO2晶格（图1）。随后，结合DFT、Tauc plots、XRD、激发/发射光谱和荧光寿命分析Eu掺杂对带隙和发光性能的影响，确定8.48% Eu为最佳掺杂含量（图2）。进一步通过约束梯度优化、网格搜索、Mie散射和实验光谱测试，确定0.756 μm粒径、35%体积分数和约100 μm厚度为低太阳吸收最优结构（图3）。在此基础上，作者验证了大面积喷涂制备、真空AM0条件下的辐射冷却性能和相对商业/文献涂层的优势（图4）。随后，基于温度依赖荧光光谱、寿命和荧光强度比实现173–433 K测温（图5）。最后，通过质子、电子、原子氧、紫外、复合辐照和热循环测试，证明涂层具备良好的空间环境耐受性（图6）。
图1 EZS超涂层的工作机制及EZS的表征。a）航天器表面受到质子、电子、原子氧和紫外暴露、热循环以及温度监测的示意图。b）EZS超涂层集成低太阳吸收率αs、高红外发射率ε、荧光测温和优异空间环境耐久性的概念图。c）不同粒径EZS的SEM图像，粒径分别为0.254、0.525、0.756和1.049 μm。d）0.756 μm EZS的EDS元素面分布图。e）不同合成条件下的Eu掺杂含量。f）单个EZS及其边缘区域的HAADF-STEM图像。g）HR-TEM图像及对应SAED图。h）AC-HAADF-STEM显微结构图。i）原子尺度EDS元素分布图。j）Zr、Eu和O原子的分布分析。k）EZS的Zr 3d XPS谱。l）EZS的Eu 3d XPS谱。
图2. EZS光学和光致发光性能的调控。a）以Eu3+为发光中心的EZS四方晶体结构。b）未掺杂ZrO2的PDOS。c）8.33% Eu掺杂ZrO2的PDOS。d）不同掺杂浓度样品由Tauc plots得到的光学带隙Eg。e）不同掺杂浓度样品的XRD图谱。f）不同掺杂浓度样品的激发光谱。g）不同掺杂浓度样品的发射光谱。h）不同掺杂浓度样品在λem=606 nm、λex=395 nm条件下的荧光衰减曲线。i）8.48% EZS的激发–发射二维等高图。
图3. EZS超涂层的光子结构优化。a）对100 μm厚超涂层进行约束梯度优化，获得粒径和体积分数对应的最优低αs区域。b）通过网格搜索得到的αs最优区域映射图。c）不同粒径EZS超涂层的SEM图像。d）不同粒径EZS超涂层的反射率和发射率光谱。e）不同粒径EZS的散射系数光谱及0.5μm入射光下的相函数。f）不同体积分数EZS超涂层的反射率和发射率光谱。g）不同粒径和体积分数EZS超涂层的αs和ε对比。
图4. EZS超涂层的结构、光学和辐射冷却性能表征。a）0.5 m × 0.5 m大面积EZS超涂层照片。b）EZS超涂层的截面SEM图像。c）表面SEM图像及对应EDS元素分布，显示涂层厚度约100 μm且EZS分散均匀。d）在50°C达到热平衡后，EZS、K2SiO3和超涂层在Al片上的红外热像图。e）395 nm激发下EZS、K2SiO3和超涂层在Al片上的光学照片。f）EZS超涂层与其他全无机辐射冷却涂层在不同αs下的净冷却功率比较。g）模拟空间条件的真空实验装置示意图。h）AM0光照和395 nm激发下的EZS超涂层照片。i）在有/无加热输入及光源开关循环条件下，EZS超涂层、Al片和参考涂层的温度演化曲线。
图5. EZS超涂层的温度依赖发光和测温性能。a）395 nm激发下EZS的温度依赖发射光谱。b）395 nm激发下EZS的荧光衰减曲线。c）荧光强度比FIR（I548/I606）随温度的变化。d）绝对灵敏度Sa和相对灵敏度Sr随温度的变化。e）EZS超涂层与代表性发光测温氧化物的吸收边波长λg和最大Sr对比。
图6. EZS超涂层在模拟空间环境下的抗辐照性能。a）不同辐照前后EZS超涂层的反射率和发射率光谱。b）4 cm × 4 cm样品在不同辐照前后的照片。c）不同辐照前后αs和ε的比较。d）−196至150 °C热循环后的示意图和样品照片。e）不同辐照前后EZS超涂层的EPR谱。f）不同辐照前后Zr 3d XPS谱。g）不同辐照前后Eu 3d XPS谱。h）不同辐照后EZS超涂层与其他全无机辐射冷却涂层的αs对比。
小结：该工作突破了荧光测温增强会增加太阳吸收并削弱辐射冷却的性能矛盾。作者选择Eu3+作为发光中心、宽带隙ZrO2作为低吸收基体，并通过亚微米球光子结构优化实现太阳波段强后向散射。材料层面，Eu3+局域4f态提供稳定、温度敏感的红光发射，同时不显著缩窄ZrO2带隙；结构层面，0.756 μm粒径和35%体积分数使涂层在约100 μm厚度下获得最低太阳吸收率。性能上，该涂层实现αs=0.076、ε=0.931和323.69 W m−2净冷却功率，在模拟空间真空环境中可使Al片降温约77 °C，并优于TiO2、ZnO和Zn2TiO4等参考涂层。同时，该涂层可在173–433 K范围内实现非接触荧光测温，最大相对灵敏度为0.797% K−1。此外，经过质子、电子、原子氧、紫外、复合辐照和热循环后，涂层仍保持较低的太阳吸收αs、稳定的红外发射ε和可靠荧光响应，说明其具备较强在轨应用潜力，为未来智能化航天器热控材料设计提供了重要参考。
论文信息：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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