科学网—东华大学张超/江南大学刘天西等：双梯度结构可修复织物实现户外多场景辐射制冷

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2026-10-21 10:23

| 系统分类: 论文交流

Scalable and Healable Gradient Textiles for Multi-Scenario Radiative Cooling via Bicomponent Blow Spinning

Baiyu Ji, Yufeng Wang, Ying Liu, Yongxu Zhao, Fankun Xu, Jian Huang, Yue-E. Miao, Chao Zhang*, Tianxi Liu

Nano-Micro Letters (2026)18: 86

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01947-

1. 双梯度纺丝策略： 提出双组分气泡纺丝策略，通过双喷头实时混配与注入速率连续调控，一步制备兼具化学组分与纤维直径双重梯度的超柔韧微纤维织物，实现规模化制备与原位吹纺修复。

2. 分级多孔光管理： 纤维直径梯度在织物受光区域构筑分级多孔结构，借助多重米氏散射使外表面太阳光反射率高达 98.7%，显著削弱太阳辐射热增益。

3. Janus 光谱选择性： 化学组分梯度赋予织物非对称光谱特性，外表面在大气窗口内具有 95.3% 高中红外发射率，内表面具备 90.9% 宽谱红外吸收能力，实现与自热物体高效辐射换热。

4. 多场景辐射制冷： 梯度织物户外可同时冷却无自热物体（降温 7.8 ℃）与自热物体（降温 13.6 ℃），冷却性能优于商用遮阳织物。

研究背景

全球变暖与极端气候日益频发，长时间暴露于强日光与高温环境中的个人和设备正面临健康与可靠运行的双重风险。传统喷淋、空调等主动降温方式在户外场景中既不经济也不实用，因此亟需发展低能耗乃至零能耗的户外冷却技术。被动日间辐射制冷通过太阳光反射与大气透明窗口内的红外发射实现无外部供能的降温，被认为是极具潜力的节能方案。织物因兼具柔性、轻质与保温特性，成为理想的户外辐射热管理载体；然而，传统织造工艺所得纤维直径分布较窄，难以实现对宽带太阳光的全面反射，而面向室外一侧设计的传统辐射制冷织物又受光谱选择性发射限制，难以有效冷却电子设备、人体等自热物体。多层结构虽可调制内外光谱特性，但其制备常依赖磁控溅射、化学沉积等昂贵工艺，静电纺丝等非织造方法在非对称发射体的规模化制备与结构调控方面同样面临困难。如何在低成本、可大面积制造的前提下，同时实现精确的非对称光谱选择性与太阳光完全反射，并化解二者与内部自热物体辐射换热之间的冲突，仍是辐射制冷织物走向实用的关键挑战。

内容简介

针对传统辐射制冷织物难以兼顾宽带太阳光反射与自热物体辐射换热、且规模化制备困难的瓶颈， 东华大学张超团队联合江南大学刘天西 提出双组分气泡纺丝策略,通过实时混配 PVDF 与PMMA两种纺丝墨水并连续调控注入速率，一步制备出兼具化学组分梯度与纤维直径梯度的超柔韧微纤维织物(GMFT)。织物受光一侧的纤维直径梯度构筑了分级多孔结构，经多重米氏散射实现98.7%的太阳光反射率；化学组分梯度则形成Janus红外吸收表面——PVDF富集的外表面在大气窗口内具有95.3%的中红外发射率，PMMA富集的内表面具备90.9%的宽谱红外吸收，可高效吸收下方自热物体的热辐射。凭借“外反射、外发射、内吸收”的协同设计，GMFT在户外实现对无自热物体7.8 ℃、自热物体13.6 ℃的降温，显著优于商用遮阳织物；同时织物还具备出色的柔韧性、疏水自清洁能力与原位吹纺修复能力，为辐射制冷织物的规模化应用开辟了新路径。

图文导读

I 双组分气泡纺丝：从可规模制备到双梯度微纤维织物

通过双喷头实时混配与连续纺丝，PVDF与PMMA两种墨水在纺丝过程中被同步注入并充分混合，随注入速率的此消彼长，一步制得厚度方向化学组分与纤维直径双重渐变的功能微纤维织物：蓝色代表PVDF富集区、黄色代表PMMA富集区、绿色代表过渡区，纤维直径沿厚度方向由PVDF侧的2.0 μm连续递减至PMMA侧的0.3 μm。该方法展现出优异的规模制备能力：GMFT可实现80×20 cm的大面积制备，厚度可精确调控，拉伸强度达4.0 MPa、可承受5 kg重物，且可任意弯折、折叠，甚至可在异形表面直接沉积成型。浓度窗口研究表明，PVDF纺丝液质量分数以10%~20%为宜、15%时形貌最优，PMMA的窗口更宽(10%~25%)，通过调控组分即可在0.3~2 μm范围内连续调节纤维直径。截面SEM与元素分析证实了双梯度结构：纤维直径由PVDF侧向PMMA侧递减，F元素仅存在于PVDF中并沿截面呈梯度分布；孔隙分析显示PVDF富集侧孔径集中于2.0~3.0 μm，PMMA富集侧达7.0~9.0 μm，而梯度织物的孔径分布更宽，更有利于阳光散射。与双层复合织物相比，梯度结构织物经历100次弯折-回复循环后仍保持优异的结构稳定性，无分层现象。此外，PVDF富集侧水接触角达137.4°，表现出优异的疏水自清洁特性，经240小时 加速老化测试 后接触角仍达130.5°，为户外长期使用提供了可靠保障。

图 1. 双组分气泡纺丝制备梯度微纤维织物的工艺示意图及宏观性能展示。

图 2. 梯度织物双梯度结构的表征：纤维直径梯度、元素分布与孔径分布 。

II Janus非对称光谱设计：外表面选择发射、内表面宽谱吸收

辐射热管理的核心在于光谱的选择性调控。PVDF富含C-F键(1350–1100 cm⁻¹)，其特征吸收峰集中于大气透明窗口，属选择性发射材料；PMMA富含C=O(1744–1739 cm⁻¹)与C–O–C(1250–770 cm⁻¹)键，在近红外至中红外波段均具有丰富的特征吸收峰，属宽谱吸收材料。若仅采用选择性发射材料，窗口外波段的物体热辐射难以被吸收转化，内部热量将不断累积；若仅采用宽谱发射材料，又易受环境热辐射干扰。GMFT将PVDF富集侧置于外表面、PMMA富集侧置于内表面，构筑了Janus非对称光谱表面：外表面在大气窗口(8–13 μm)内中红外发射率达95.3%，内表面在2.5–20 μm宽谱范围内发射率达90.9%。通过计算表面选择比γ(大气窗口平均发射率与非窗口平均发射率之比)，PVDF富集侧为1.68，PMMA富集侧仅为1.04，定量证实了“外向选择性高发射、内向宽谱吸收”的非对称光谱特征。此外，GMFT在大气窗口内10°–80°发射角范围内始终保持高发射率，为多角度户外使用提供了保障。

图 3. 具有Janus光谱选择性发射表面的辐射热管理织物工作原理 。

III 梯度直径增效：多重米氏散射实现98.7%太阳光反射

提升辐射制冷功率的关键在于增强对太阳光的反射。散射单元尺寸与0.3–2.5 μm太阳光谱的匹配程度决定了散射效率：仿真表明，柱状散射单元比球形散射单元具有更高的散射效率，且当入射光波长与纤维直径相近时米氏散射最强——入射300 nm光时，300 nm直径纤维的前向散射角显著改变，有利于光从材料表面逃逸。相较于均匀结构，梯度结构提供了更宽的孔径分布与更多元的散射单元，可在有限散射深度内实现对宽带太阳光的高效散射。MATLAB与FDTD电磁场仿真显示，梯度直径织物在典型太阳光谱(0.3、1.0、2.0 μm)下电场穿透深度更浅、散射更充分，能够更有效地阻挡太阳辐射。实测结果与仿真一致：PVDF富集侧朝外的GMFT太阳光反射率达98.7%，高于PMMA富集侧(93.8%），也明显优于均匀结构的纯PVDF织物(MFTF15)与纯PMMA织物(MFTA15)。厚度研究进一步表明，PVDF与PMMA在太阳光谱区消光系数可忽略、折射率与空气相差0.4，为低吸收、高散射提供了材料基础；GMFT在约300 μm厚度时反射率最高(98.9%)，与FDTD仿真揭示的最优梯度散射深度(约200 μm)规律一致。经加速紫外老化测试，GMFT仍保持初始太阳光反射率的97.9%，展现出优异的抗光降解稳定性。

图4. 梯度纤维直径提升织物太阳光反射性能的机理与验证。

图5. 厚度依赖的太阳光反射特性与电磁场仿真。

IV 多场景户外验证：自热空间、遮阳与原位自修复应用

与含铝涂层的商用Elitex遮阳织物相比，GMFT具有更低的热导率、更高的太阳光反射率与中红外发射率，并能高效吸收自热物体的辐射，实现“外防太阳辐射、内排物体热量”的协同热管理。理论计算表明，在1000 W/m²太阳辐射与25 ℃环境条件下，GMFT日间制冷功率达114.8 W/m²，夜间达127.8 W/m²；即使存在9 W/(m²·K)的对流换热，仍可实现10.1 ℃的最大降温。COMSOL仿真进一步表明，相较于选择性发射结构与宽谱发射结构，Janus光谱结构能最有效地将内部热源(200 W/m²)的热辐射排出，表面温度可比宽谱结构低9.8 ℃。户外实测中，在平均900 W/m²太阳辐照下，PVDF富集侧朝外的GMFT在1.50 W加热功率下使自热密闭空间降温13.6 ℃；在无自热源的密闭空间中，40 ℃高温下仍实现7.8 ℃降温；多云天气下三种场景均保持4.8–6.3 ℃的亚环境降温。在低湿度的北京(相对湿度<30%)与高湿度的香港(约90%)两地测试中，GMFT分别实现8.7 ℃与5.6 ℃的降温，验证了其在不同气候条件下的适应性。遮阳伞对比实验显示，阳光照射60分钟后GMFT遮阳伞温度上升仅10.8 ℃，比商用遮阳织物低5.7 ℃，伞下人体模型温度低5.2 ℃。值得一提的是，GMFT还具备原位吹纺修复能力：织物破损后可在破损处直接进行吹纺修复，修复后的织物太阳光反射率与非对称红外光谱特性基本恢复，红外热成像显示其辐射制冷性能与原始织物相当，修复后水接触角仍达136.1°，拉伸强度保持稳定，展现出优异的耐久性与可维护性。

图6. 梯度织物的户外辐射热调控性能与原位吹纺修复验证 。

V 总结

本工作通过双组分气泡纺丝策略制备了大面积、柔韧、可修复的双梯度微纤维织物。化学组分梯度赋予织物独特的Janus红外吸收表面，纤维直径梯度构筑了分级多孔阳光反射界面，使织物外表面太阳光反射率达98.7%、中红外发射率达95.3%，内表面宽谱红外吸收率达90.9%，实现了“外防太阳辐射、内排物体热量”的协同热管理。实验证明，该织物对无自热物体与自热物体的户外平均降温分别达7.8 ℃与13.6 ℃，优于商用Elitex遮阳织物，并兼具原位修复、疏水自清洁与优异的机械稳定性。这一双梯度结构设计思路为户外辐射制冷材料的规模化制备提供了新范式，有望在户外遮阳产品、物流运输、个人热管理等场景获得广泛应用，推动被动辐射制冷技术从实验室走向商业化。

作者简介

张超

本文通讯作者

东华大学 研究员

▍ 主要研究 领域

(1)梯度结构高分子复合材料；(2)透明气凝胶复合材料；(3)高分子复合材料与智能热管理；(4)相变复合材料与储能器件。

▍ 主要研究成果

东华大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师，纤维材料改性国家重点实验室固定成员，获国家自然科学基金优秀青年科学基金、上海市曙光计划、上海市青年科技启明星计划等项目资助。2008年与2013年于复旦大学高分子科学系分获学士与博士学位(导师刘天西教授)，2009年在新加坡南洋理工大学联合培养，2013年8月至2015年2月在德国马普胶体与界面研究所从事博士后研究(合作导师Markus Antonietti教授)，2015年加入东华大学。迄今发表SCI论文138篇，他引8400余次，H指数51，出版中英文专著(章节)3部，授权发明专利10余项；近5年以通讯作者身份在Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文59篇。担任中国复合材料学会纳米复合材料分会秘书长，以及Nano-Micro Lett.、eScience、InfoMat等期刊青年编委，曾获上海市自然科学二等奖。

▍ Email： czhang@dhu.edu.cn

刘天西

本文通讯作者

江南大学 教授

▍ 主要研究 领域

高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、纳米能源复合材料及器件。

▍ 主要研究成果

江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。国家高层次人才、英国皇家化学会会士、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者。现任Composites Communications共同主编、Advanced Fiber Materials 副主编、Functional Composite Materials 副主编、教育部科技委交叉科学与未来技术专委会委员、中国复合材料学会纳米复合材料分会主任。

▍ Email： txliu@jiangnan.edu.cn

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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