室外热管理是指通过调控物体与室外环境的热交换进而对物体温度进行管理,包括保温和散热。近年来,随着全球气候变化的加剧和制热/制冷能耗的不断增加,室外热管理因其无能耗、局域温度调节能力强等优势成为研究热点。被动式的室外热管理主要利用可再生能源如太阳、外太空等进行局域的温度调控(制热与制冷),采用的结构包括涂料、金属、聚合物与微纳光学结构等。在这些结构中,微纳光学结构可以在超薄厚度的前提下,协同对光谱特性的调控,进而实现可控、高效的热管理功能。迄今,基于微纳光学结构的室外热管理研究集中于单一功能或单一波段,对于多波段协同调控实现高效率热管理的研究较少,包括以下两个方面:(1)极端温度环境下的高性能低成本室外热管理;(2)协同色彩调控的室外热管理。本文从这两个方面入手,探究多光谱协同调控实现高效室外热管理的物理机理、器件制备与应用拓展:(1)在寒冷环境下协同色彩调控的室外个人保温方面,提出了兼容太阳吸收与低热辐射散热的微纳光学个人保温织物,采用高透水汽性纳孔聚乙烯和金属/介质薄膜复合的彩色微纳光学结构,该织物同时具备太阳光谱宽谱选择性吸收与中红外热辐射波段低辐射热耗散特性,能够实现被动辐射保温与太阳光光热保温。16μm的该织物在室内测试中保温性能接近6mm棉布,在室外测试中保温性能超过NASA的太空衣,并超过2mm黑色棉布约6.3℃。该彩色保温织物拥有良好的可穿着性能,包括优良的防风、透水汽与吸湿特性,有望在个人寒冷防护、多波段光学伪装等方面有广泛应用。(2)在极端寒冷/炎热环境下的室外个人热管理方面,提出能够实现高效被动保温与散热双功能个人热管理织物。该材料通过非对称的微纳光学结构实现一面被动保温、一面被动散热。其保温模式由太阳光谱波段吸收率大于0.8且辐射率约为0.16的锌-铜纳米颗粒实现,在白天日照下能使模拟皮肤温度相比1mm黑色棉布升高8.1℃。其散热模式由喷涂了多孔PMMA的ePTFE膜与铝反射膜实现,该结构太阳光漫反射率达到0.91且辐射率约0.87,白天日照下能使模拟皮肤温度相比0.5mm白色棉布降低6.3℃。基于该织物优良的热管理性能,我们进一步结合热电材料实现了全天候的热电产生。该个人热管理织物制备成本低、工艺简单,且水洗性能、可穿着性能优良,能够为极端温度环境下低成本高效率的个人防护与可穿戴电能产生提供思路。(3)在室外被制冷腔室增强保冷特性方面,提出了可见透明(透过率大于0.8)、中红外低辐射率(辐射率小于0.2)的屋顶内表面材料ITO-PET薄膜结合可见透明(透过率大于0.8)、近红外高反射率(反射率大于0.9)中红外高辐射率(辐射率大于0.8)的屋顶外表面材料进行辐射保冷与散热。在测试中,在使用低辐射率内表面材料后,被半导体制冷的腔体温度相比使用前可以下降约6℃,同时屋顶的辐射散热功率提高了约20Wm-2。这一可见透明、红外热辐射波段高反射率的内表面材料可以通过直接作为贴膜覆盖在顶棚或者吊顶,有效降低室内制冷能耗。本论文基于室外热输运模型,设计并制备了一系列用于室外热管理的微纳光学结构,研究了协同调控结构光学特性在个人热管理以及建筑物热管理中的应用,实现了(1)兼容色彩管理的个人室外保温织物;(2)保温/散热双功能且支持热电产生的室外个人热管理织物;(3)可见光波段透明、中红外热辐射波段高反射的腔室保冷光学薄膜。这些研究成果能够加深微纳光学结构在多光谱特性调控方面的认知,开拓在室外局部环境温度调控、建筑物节能、红外隐身等领域的应用。