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  中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳立新、翁子驤團(tuán)隊開發(fā)出一種兼具輻射冷卻、相變儲熱與仿生蒸發(fā)三重功能的新型纖維膜ATPT-70%。該材料通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計攻克了傳統(tǒng)熱管理材料的光譜失配、汗熱堆積和動態(tài)響應(yīng)滯后等瓶頸，在0.2毫米超薄厚度下實現(xiàn)94%太陽光反射率，實現(xiàn)392.5W/m²的蒸發(fā)冷卻功率，和93.6W/m²輻射冷卻功率。相關(guān)成果發(fā)表于材料領(lǐng)域期刊《Advanced Functional Materials》。

研究背景與創(chuàng)新突破

  全球變暖導(dǎo)致極端高溫事件頻發(fā)，傳統(tǒng)輻射冷卻材料存在顯著局限：常規(guī)電紡膜因纖維尺寸均一導(dǎo)致太陽光譜（0.3-2.5μm）覆蓋率不足，反射率普遍低于80%；疏水性表面在高濕環(huán)境下阻礙汗液蒸發(fā)，形成隔熱液膜；相變材料（PCM）負(fù)載量受制于紡絲工藝難以突破。研究團(tuán)隊創(chuàng)新性提出三重解決方案：首先采用電場誘導(dǎo)射流分裂技術(shù)構(gòu)建多分散纖維網(wǎng)絡(luò)（纖維直徑0.1-2.5μm），通過米氏散射優(yōu)化實現(xiàn)寬譜反射；其次模仿植物維管束設(shè)計梯度孔道結(jié)構(gòu)，驅(qū)動定向汗液傳輸；最后通過紡絲-噴涂聯(lián)用工藝實現(xiàn)70wt%相變微膠囊的高效負(fù)載。

材料設(shè)計與制備工藝

[圖1：制備工藝與機(jī)理示意圖]

  材料采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計：底層為相變微膠囊/TPU復(fù)合層（P-TPU），通過同步靜電紡絲（TPU溶液）與電噴霧（PCM分散液）工藝構(gòu)建。當(dāng)PCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)70%時，相變微膠囊在纖維基質(zhì)中均勻分布（圖2e-f），形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。表層為四丁基氯化銨（TBAC）改性的TPU分支纖維層（AT-TPU），30kV高壓電場下射流分裂形成主纖維（1.5-2.5μm）與分支纖維（0.1-1.5μm）交織的網(wǎng)絡(luò)（圖2c-d），精準(zhǔn)匹配太陽光譜強(qiáng)度分布。

光學(xué)與熱學(xué)性能

[圖2：多尺度纖維結(jié)構(gòu)表征]

  ATPT-70%的光學(xué)性能顯著超越傳統(tǒng)材料：雙層膜在300-2500nm波段平均反射率達(dá)94%，較商用聚酯紡織品（PET, 73.1%）提升28.8%。其反射譜拓寬源于多級散射機(jī)制——仿真模擬顯示（圖2a-b），0.1-2.5μm纖維與0.1-6μm孔洞協(xié)同覆蓋了太陽光譜峰值區(qū)域。熱管理性能方面，P-TPU層相變焓值達(dá)111.8J/g，100次冷熱循環(huán)后仍保持96.3%的焓值（圖3b-c），28℃相變溫度精準(zhǔn)匹配人體舒適區(qū)。

仿生蒸發(fā)與動態(tài)熱管理

[圖3：熱管理機(jī)制與性能驗證]

  材料的創(chuàng)新性之一在于結(jié)合了仿生汗液管理：AT-TPU層經(jīng)親水改性后接觸角為84.7°（3秒內(nèi)浸潤），P-TPU層形成疏水表面（接觸角135°）。當(dāng)疏水側(cè)接觸皮膚時，3-6μm大孔徑與0.1-2μm小孔徑形成的梯度結(jié)構(gòu)以及梯度潤濕性產(chǎn)生毛細(xì)壓差，驅(qū)動液體在2秒內(nèi)穿透膜層（圖4c左）。蒸發(fā)速率達(dá)1.5g/h，是PET紡織品的3.2倍（圖4d）。

[圖4：潤濕性與蒸發(fā)機(jī)制]

  動態(tài)熱管理測試揭示三重協(xié)同效應(yīng)：無太陽輻射時，相變層緩沖環(huán)境溫度突變，升溫階段降溫2.4℃，降溫階段保溫1.6℃（圖3f）；500W/m2輻照下，材料表面溫度較PET低9.6℃（圖3h）；極端條件（1500W/m2）下溫差擴(kuò)大至17.4℃，且在22-35℃區(qū)間形成明顯熱緩沖平臺（圖3i）。材料的蒸發(fā)冷卻貢獻(xiàn)392.5W/m2功率，結(jié)合93.6W/m2輻射冷卻，實現(xiàn)14.3℃溫降（圖4g）。

戶外驗證與應(yīng)用前景

[圖5：戶外熱管理測試]

  2025年3月福州正午測試（900-1100W/m2輻照）顯示，覆蓋ATPT-70%的手掌表面溫度為19.0℃，較PET紡織品低9.1℃（圖5a-b）。持續(xù)監(jiān)測表明材料適應(yīng)輻照波動：當(dāng)環(huán)境溫度高于28℃時降溫5.7℃，低于28℃時保溫2.3℃（圖5e-f）。建筑節(jié)能模擬顯示，該材料應(yīng)用可使空調(diào)能耗降低23%。耐久性測試證實，紫外照射100分鐘（相當(dāng)戶外6個月暴曬）后反射率保持88.4%，水蒸氣透過率與棉織物相當(dāng)（圖4i），滿足實際應(yīng)用需求。

  該研究通過三個關(guān)鍵機(jī)制實現(xiàn)熱管理技術(shù)：射流分裂技術(shù)實現(xiàn)0.1-2.5μm多分散纖維制備，克服厚度-反射率制約；植物蒸騰啟發(fā)的梯度結(jié)構(gòu)驅(qū)動高效蒸發(fā)（392.5W/m2）；紡絲-噴涂聯(lián)用提升PCM負(fù)載瓶頸。ATPT-70%膜為高溫高濕環(huán)境下的可穿戴設(shè)備、建筑節(jié)能及特種防護(hù)提供變革性解決方案，其“反射-儲熱-蒸發(fā)”協(xié)同機(jī)制為智能熱管理材料設(shè)計樹立新范式。

  研究獲國家重大研發(fā)計劃(2024YFE0107500)、福建省科技計劃(2024N0063)資助.

  原文信息
  Zhou X, Chen W, Zhao Z, et al. Broad-Spectrum Bionic Polydisperse Radiative Cooling Fiber Membrane Integrating High Phase Change and Evaporation Efficiency. Adv Funct Mater. 2025; e10443.
  DOI: 10.1002/adfm.202510443

  https://doi.org/10.1002/adfm.202510443