上海国际智能服装产业博览会

清华大学曲良体教授领衔的合作团队报道了一种用于热管理的温度自适应双模态光子纺织品。该材料由功能化的纺织纤维构成，包含热致变色微胶囊和硫酸钡涂层，集成到织物中时可实现约 80% 的可见光光学调制。它能在阳光下实现低温太阳能加热和高温辐射冷却，由这种材料制成的服装和帐篷（3.5m×2.9m×1.3m）能够实现温度自适应的全天候热管理，将热舒适范围扩大了 8.5°C。相关工作以“Temperature-adaptive dual-modal photonic textiles for thermal management”为题发表在《SCIENCE ADVANCES》。相关工作可见蓝胖子i纺织系列推送：五邑大学于晖组智能热管理纺织品：节能、超疏水、高导电三层复合织物 (qq.com)、

 

Nano Energy 健康监测与热管理的新型纤维基视觉应变传感器：基于纳米碳粉/银纳米粒子@羧基多壁碳纳米管/聚氨酯纤维 (qq.com)、

 

AM 热自适应被动辐射制冷：新型级联异质多孔纳米复合薄膜 (qq.com)、

 

高效日间降温面料-可扩展、防水、透气且柔软的新型PP/POE@ZnO微纤维蓬松织物：舒适、多功能的户外冷却解决方案 (qq.com)、

 

抗菌、防晒、自洁一体化超“冷酷”织物：柔性多功能AZO/PVDF静电纺丝膜 (qq.com)。

 

在现代社会，热管理对于维持人体舒适的生活和工作环境至关重要，传统的热管理技术主要依赖于加热和冷却设备，能耗巨大。太阳能加热和辐射冷却虽为可持续的热管理技术，但现有的相关技术存在局限。例如，多数技术在可变天气条件下只有单一效果，无法实现双向温度调节的加热和冷却功能。这不仅在能源利用上不够高效，还可能在冬季增加取暖负担。因此，为了更好地满足人们对舒适环境的需求，同时实现能源的高效利用和可持续发展，开发一种能够智能适应温度变化的热管理技术，以应对复杂多变的环境条件，成为了当前研究的重要方向。

 

亮点一：自适应智能织物SF-加热与冷却模式切换的”魔术师”

 

智能自适应结构

 

提出了一种创新的自适应智能织物（SF），其负载了还原氧化石墨烯包裹的热致变色微胶囊（G - TM）和硫酸钡（BaSO₄）微纳米颗粒。G - TM 在低温时呈黑色，可高效吸收太阳辐射实现加热；在高温时转变为白色，反射大量太阳辐射，实现高光学调制。BaSO₄则有助于在大气传输窗口（8 - 13μm）实现高发射率，用于辐射冷却。

 

材料性能优化

 

通过对材料的精细设计和优化，如调整热致变色微胶囊中 CVL、BPA 和 1 - 十四醇的比例，可任意设置临界热致变色温度（Tₑ）。同时，对 BaSO₄颗粒直径进行优化，使其在太阳能光谱范围内的散射强度与太阳峰匹配，弥补 G - TM 的不足，并在 LWIR 范围内仍具有高吸收系数，增强了 SF 的辐射冷却性能。

 

亮点二：卓越性能表现：优异的热舒适性能

 

光学性能：SF的可见光光学调制率约为80%，加热和冷却模式下涂层可见光吸收率均可调且高于80%，气窗口内表面发射率在两种模式下均为0.94，能够高效吸收和发射能量，实现良好热管理。

 

实际应用：基于SF的热致变色智能服装(TMSG)和热致变色智能帐篷(TMST)热管理能力优异，服装可随温度变色实现升温或冷却，帐篷也能改变颜色进行太阳能加热和辐射冷却，为居住环境提供稳定热舒适空间，可扩大热舒适范围约8.5°C。

 

图1. 自适应智能织物(SF)的制备和表征

 

 

图1A展示了SF的制备过程示意图。清晰地呈现了从TM表面负载石墨烯、BaSO₄颗粒和水性聚氨酯分散液的混合物，到最终将其喷涂到织物上获得SF的过程，图1B - D分别为SF的数码照片以及不同放大倍数的扫描电子显微镜(SEM)图像。从图像可以看出，G - TM和BaSO₄颗粒均匀地分散在纤维上，这对于材料性能的一致性至关重要。图1E是石墨烯包覆TM的SEM图像，进一步展示了功能材料在微观层面的结构，表明石墨烯能够均匀地包裹在TM上，为材料的性能提供了保障。图1F - I显示了功能材料可以喷涂或涂覆在多种不同的基材上，如无纺布、纸张、钢铁和木材等，体现了SF材料的广泛适用性。

 

图2. 自适应智能织物(SF)的光学性质

 

 

由图2中可以看出，图2A以示意图解释可逆热致变色过程机制，涉及CVL 分子结构随温度变化与 BPA形成复合物。在光学吸收特性中，CVL@BPA在可见光谱的吸光度比CVL高 11.3 倍，体现TM较高颜色调制能力；GO膜和rGO 膜分别在234nm和270nm处有吸收峰，体现材料光学吸收特性差异。在相转变温度设置中，不同温度下的TM的DSC曲线表明TM相转变温度可根据1 - 十四醇比例在一定范围内设置，如5°、15°、25°和 31°C等。在光学散射特性中，白色状态(CVL)的散射效率至少是黑色状态(CVL@BPA)的两倍，体现不同颜色状态下光学散射特性显著不同。在吸收效率展示中，黑色状态在紫外-近红外波段的吸收效率显著大于1，基本覆盖太阳光最强区域，说明SF材料在吸收太阳光方面能力强。在BaSO₄ 颗粒散射效率中，不同直径BaSO₄ 颗粒在太阳光谱范围内的散射效率Qₛcₐₜ曲线显示最优直径位于500nm附近，因其散射强度集中在300 - 700nm，与太阳峰匹配。在LWIR范围吸收效率中，500nm直径的 BaSO₄ 颗粒在 LWIR 范围内仍具有较高的Qₐbₛ(高达 0.7)，增强了SF辐射冷却性能。在抗紫外线性能表现中，SF在不同紫外线暴露时间下太阳光谱中的反射率测试，结果表明 SF具有良好抗紫外线性能，在60天加速老化测试中能保持原始黑色状态99%以上性能。在宽带反射率调制测试中，展示了SF在不同光谱范围内的宽带反射率调制能力，高温时蓝色线表示黑色状态下太阳光谱高太阳反射率，低温时红色线表示白色状态下太阳光谱低太阳反射率，且在大气窗口内所有波段反射率都较低，体现材料在不同温度下的光学反射特性变化与热管理功能紧密相关。

 

 

图3 . 自适应智能织物(SF)的冷却性能测试

 

由图3可看出，在辐射冷却性能中，SF - 25和纯 BaSO₄涂层在阳光充足、环境温度较高(40.2°C)时分别比环境温度低8.2°C和10°C，显示两者有相似的冷却性能。在太阳强度为600 - 675W/m²时，环境和SF温度均随光强度增加而升高，且具有良好的温度跟踪性能。SF的辐射冷却功率在50 - 80W/m²之间，展示了SF较好的辐射冷却能力。在太阳能加热性能中，SF - 25在低温下为黑色，具有较高阳光吸收能力，在不同光强度下温度高于白色涂层。在光强度大于200W/m²时，温度达到高于人体舒适温度19°C，体现其在太阳能加热方面的性能优势。黑色涂层温度范围为28°- 42°C，白色涂层温度范围为19°- 22°C，SF- 25 温度范围为20°- 28°C，表明SF具有良好的温度调节能力。

 

 

图4 . 自适应智能织物(SF)在智能服装、帐篷热管理的测试

 

由图4a可看出SF在黑色和白色状态下尺寸为0.8m×10m的照片，材料在大面积上颜色和质地均匀，体现SF材料具有大规模生产潜力。SF材料应用在热致变色智能服装测试中，服装在不同阳光条件下内部和外部温度变化曲线显示，环境温度为15°C时，服装在阳光下表面能快速升温到 20°C，内部温度在连续阳光照射下能控制在约26°C；即使环境温度高于33°C，也能通过太阳能加热和辐射冷却的平衡实现良好热管理效果。SF材料帐篷热管理测试中，低温和高温状态下的光学照片和红外图像显示，温度低于Tc时帐篷表面为黑色可吸收阳光加热内部空气，高于Tc时帐篷表面为白色可反射阳光并辐射冷却降低内部温度。帐篷内部和外部在阳光下的温度变化曲线表明，随着太阳通量增加和环境温度升高，帐篷内部温度仅有轻微波动，即使环境温度高于33°C，内部温度约为26°C，夜间环境温度低于15°C时，内部温度能保持高于19°C。帐篷内部空气温度与环境温度的差值曲线显示，当差值大于0时，帐篷表现出太阳能加热性能；当差值小于0时，表现出辐射冷却性能。此结果展示了在不同环境温度下帐篷热管理模式的切换情况。

 

（一）材料性能优异

 

该双模态光子纺织材料在热管理方面表现出卓越的性能。在高温环境下，SF 具有高太阳反射率（0.3 - 2.5μm）和在大气窗口（8 - 13μm）94% 的选择性发射率，实现辐射冷却；在低温环境下，SF 表现出高太阳吸收率（0.3 - 2.5μm），实现太阳能加热。其在太阳能光谱和中红外波段的光学性能良好，且微观结构均匀，表面粗糙度低，透汽性适中，这些性能为其在热管理领域的应用提供了坚实的基础。

 

（二）应用前景广阔

 

基于 SF 制作的服装和帐篷能够实现温度自适应的全天候热管理，展示了该材料在人体和居住环境热管理方面的巨大潜力。然而，在商业化之前还需要解决一些挑战，如优化生产过程以降低成本，适应不同的环境条件和用户偏好，以及探索集成更多功能等。未来通过系统地解决这些问题，该材料有望显著推进热管理解决方案的发展，实现环境可持续和经济可行的多样化应用。