东北林业大学韩广萍等：一种同时实现室内外被动辐射冷却的全尺寸结构织物 原创 纳微快报 nanomicroletters 2025年03月26日 11:27 上海

研究背景

辐射冷却织物在无需能量输入的情况下提供了一个热舒适的环境，为实现个人热管理提供了一种可持续的方法。然而，目前报道的大多数织物主要侧重于室外冷却，忽略了同时实现室内和室外冷却的重要性，从而削弱了整体的冷却性能。

Selective Emission Fabric for Indoor and Outdoor Passive Radiative Cooling in Personal Thermal Management

Haijiao Yu, Jiqing Lu, Jie Yan, Tian Bai, Zhaoxuan Niu, Bin Ye, Wanli Cheng*, Dong Wang*, Siqi Huan*, Guangping Han*

Nano-Micro Letters (2025)17: 192

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01713-4

本文亮点

1. 制备了具有全尺寸结构特征的辐射冷却织物，在0.3-25 μm波段实现了良好的太阳光反射率(94%)和较低的中红外反射率(6%)。

2. 实现了大气窗口波段81%的热辐射发射率和中红外波段25%的热辐射透过率，用于热辐射释放。

3. 同时实现了室内与室外的个人热管理。

内容简介

东北林业大学韩广萍、程万里、宦思琪、王栋等人制备了一种具有选择性发射特性的全尺寸结构织物，旨在同时实现室内与室外的被动辐射冷却。该织物通过全尺寸结构设计，在太阳光波段(0.3-2.5 μm)实现了94%的反射率，有效减少了热量吸收，同时在中红外波段(2.5-25 μm)表现出6%的低反射率，促进了热辐射的释放。此外，该织物在大气窗口波段(8-13 μm)具有81%的辐射发射性能，并在中红外波段表现出25%的辐射透过性能，分别提供了60 W/m2和26 W/m2的室外和室内净冷却功率。在实际应用中，该织物实现了优异的室内外降温效果，温度比典型的聚二甲基硅氧烷薄膜低1.4-5.5℃。这项工作提出了一种新颖的辐射冷却织物设计，为实现可持续的个人热管理提供了重要支持。

图文导读

I 冷却织物的设计

一般来讲，在减少热量输入(高阳光反射)的前提下，室内和室外冷却是通过调节透过/反射/发射热辐射来实现的。冷却织物的设计基于三个标准：i)利用全尺寸结构效应来满足高太阳光反射和低中红外辐射反射；ii)具有在大气窗口波段发射热辐射的官能团，以实现室外人体降温；iii)赋予材料在中红外波段的热辐射透过性能，以实现室内人体降温。

基于这些设计，如图1所示，通过静电纺丝和超声波水蚀刻技术制备了聚偏氟乙烯-聚乙烯吡咯烷酮(PVDF-PVP)冷却织物。织物的全尺寸结构包括纤维表面的纳米级半互穿孔、微米级纤维以及纤维之间的微米级空隙。这些结构集中分布在太阳光波段，并且远离中红外波段，增强了太阳光波段反射的同时削弱了中红外波段的反射，这意味着人体热辐射可以很容易的透过织物释放。PVDF被选为基体材料以满足选择性发射的要求。这是因为C-F键的吸收和振动特性使其在大气窗口波段具有出色的热辐射发射能力，而在非大气窗口波段的低辐射吸收则显示出热辐射透过性能，这为实现良好的室内外冷却提供了前提。

图1. 冷却织物的设计与制备。(a) 全尺寸结构冷却织物的设计。(b) 室内外冷却示意图。

II 冷却织物的微观结构

根据米氏散射理论，当物体的尺寸与入射光波长相匹配时，该物体会强烈反射此波长的光。由于太阳光的分布范围横跨纳米和微米尺度，因此需要对织物进行结构调控。具体而言，将水溶性PVP加入PVDF中以调节纤维的直径分布，然后通过超声波水蚀刻在纤维表面获得目标孔结构。随着PVDF和PVP含量的增加，纤维直径增加，纤维呈现出从串珠结构到光滑均匀结构的演变。当PVDF与PVP的比例为12:0、12:6、12:12时，如图2a-c所示，未蚀刻的纤维表面由于PVP吸收水蒸气而呈现出轻微的褶皱。未蚀刻的FP-12-6和FP-12-12纤维的平均直径分别为1.2和1.4 μm，均在0.4至1.5 μm的波段内。它们跨越了大部分太阳光波段，并远离中红外波段。此外，纤维表面丰富的半互穿孔也有助于实现良好的太阳光反射性能。经过简单的超声波水蚀刻后，FP-12-0纤维没有出现孔结构(图2a1-a2)。而FP-12-6和FP-12-12纤维的表面则显示出明显的孔结构(图2b1-c1)，并且这些相邻的孔互相连接形成更大的孔。图2b2和2c2表明水刻蚀形成的孔为半互穿孔。与穿透孔不同，半互穿孔更有利于实现对太阳光的反射而非透过。

图2. 不同比例织物的SEM图像。(a) 未蚀刻的FP-12-0纤维。(a1, a2) 蚀刻后的FP-12-0纤维及其截面形貌。(b) 未蚀刻的FP-12-6纤维。(b1, b2) 蚀刻后的FP-12-6纤维及其截面形貌。(c) 未蚀刻的FP-12-12纤维。(c1, c2) 蚀刻后的FP-12-12纤维及其截面形貌。(d) FP-12-6的全尺寸结构分布。

III 冷却织物的形成机制

如图3a所示，FP-12-6织物显示出多尺度的结构特征：纳米级半互穿孔、微米级纤维以及微米级纤维间空隙。纤维直径分布在0.6至1.5 μm的波段内，赋予材料反射高波长太阳光的能力。此外，1.5至2.5 μm的纤维间空隙弥补了反射高波长太阳光的不足。半互穿孔主要由微孔(< 20 nm)、中孔(20至50 nm)和大孔(50至170 nm)组成，并且以大孔为主(图3b)。这些大孔为冷却织物提供了约94%的太阳光反射能力(300-900 nm)。图3c显示了半互穿孔的形成机制。由于PVDF与PVP两种组分之间良好的互溶性，导致它们在纤维内高度缠结。通过FTIR与XPS分析(图3d-h)证明PVDF和PVP之间存在强氢键作用。在水蚀刻过程中，两组分之间的高度缠结和氢键作用抑制了水的蚀刻效果。这导致PVP仅部分溶解在水中，从而在纤维表面形成了半互穿孔结构。

图3. 冷却织物的尺寸分布及半互穿孔的形成机制。(a) FP-12-6的尺寸分布。(b) 蚀刻前后FP-12-6的氮气吸附-脱附等温线。(c) 半互穿孔的形成机制示意图。(d) FP-12-6的FTIR图像。(e-h) PVP、PVDF和FP-12-6的XPS图像。

IV 室内外被动辐射冷却性能

通常，被动辐射冷却性能需要在减少太阳光吸收的同时增加热辐射释放。通过全尺寸结构和选择性发射调节，可以实现室内外环境中的被动辐射冷却(图4a)。如图4b所示，FP-12-6实现了94%的太阳光反射，这是因为纳微结构具有大量的孔-空气界面，光在这些界面处发生多次反射，这些反射的累积效应导致总反射率的增加。根据菲涅尔方程，折射率的不匹配会进一步增强界面间的反射效应。FP-12-6在0.3-1.8 μm波段内的平均折射率为2.0，是空气的两倍，同时接近零的消光系数导致对太阳光的吸收较弱(图4c)。FP-12-6的纳微结构集中在太阳光波段，这增强了米氏散射效应，同时对中红外波段的散射影响最小。另外，FDTD的模拟结果也进一步验证了尺寸分布对散射效率的影响(图4d)。CIE色度分析表明，FP-12-6呈现出明亮的白色外观，与良好的太阳光反射性能一致(图4e)。

在大气窗口波段赋予特定功能的基团，可以使织物选择性发射热辐射。基于对常见聚合物分子键及其相应振动波段的分析和筛选，我们发现PVDF具有选择性发射特性。PVDF的主链由C-C键组成，而侧链包含许多C-F键。当FP-12-6织物暴露在太阳光下时，PVDF中的C-F键由于吸收能量而发生显著的弯曲和拉伸振动。同时电子从高能带跃迁到低能带，导致热辐射的发射。如图4f的FTIR光谱所示，PVDF中的C-F键在8-13 μm波段内表现出选择性辐射发射特征，同时在该波段之外的辐射吸收较少，这为实现辐射发射和辐射透过提供了基础。通过红外反射率、发射率和漫反射测试，将FP-12-6的辐射能力与常见的辐射发射材料PDMS膜和辐射透过材料PE膜进行了比较。图4g-h显示，PDMS膜在8-13 μm波段内的辐射发射率为87%，而FP-12-6达到81%。PE膜在2.5-25 μm波段内的辐射透过率为90%，FP-12-6为25%。在2.5-25 μm波段，FP-12-6表现出极低的辐射反射性能，反射率仅为6%。

为了更精确地阐明辐射发射和透过之间的区别和关系，我们从最终冷却的角度出发定义了一个新的描述符，称为辐射冷却率：在中红外波段，当物体释放热辐射时，非反射能量占总能量的比例及其分布。该定义可以表示为”C” _”E” ^”T” =1−R，其中T是2.5-25 μm波段内的透过率，E是8-13 μm波段内的选择性发射率，R是2.5-25 μm波段内的反射率。FP-12-6实现的辐射冷却率”C” _”81″ ^”25″   为94%，表明大部分人体热辐射可以轻松通过织物，选择性发射率和透过率分别为81%和25%。通过辐射冷却模型计算了理论净冷却功率。如图4i-4j所示，FP-12-6在室外和室内的最大理论净冷却功率分别为60 Wm⁻2和26 Wm⁻2，显示出良好的辐射冷却性能。

图4. 太阳光反射和热辐射释放性能的表征。(a) 辐射冷却机制示意图。(b) FP-12-6、未蚀刻的FP-12-6、FP-12-12和FP-12-0的太阳光反射光谱。(c) FP-12-6的折射系数和消光系数。(d) FP-12-6的FDTD模拟。模拟了0.2-1.2 μm的纤维尺寸分布。(e) FP-12-6的CIE色度图。插图是FP-12-6冷却织物的图像。(f) FP-12-6的FTIR光谱。(g) PDMS薄膜和FP-12-6的热辐射发射光谱。(h) PE薄膜和FP-12-6的热辐射透过光谱。(i, j) FP-12-6的理论室外和室内净冷却功率。

V 实际的室内外冷却性能

为了确保实验结果的准确性，我们首先进行了模拟太阳光反射测试。如图5a所示。经过1小时的照射后，PE膜、PDMS膜和FP-12-6分别达到55.1°C、52.3°C和43.5°C。FP-12-6表现出优异的冷却效果，而PE膜和PDMS膜因较低的太阳光反射率而表现出温度升高。为了更好地说明冷却织物的太阳光反射性能，我们设计了一个巧克力融化实验(图5b)。实验装置由氙灯、两个圆形铁环和支撑架组成。上铁环支撑冷却材料，下铁环支撑巧克力棒。氙灯强度设置为4000 W/m2 以加速融化过程，测试结果基于融化时间确定。测试了无冷却材料的空白组、PE膜、PDMS膜和FP-12-6。如图5c所示，空白组、PE膜、PDMS膜的巧克力融化时间为1分钟，而FP-12-6为30分钟。由于太阳光反射能力的不同，FP-12-6覆盖的巧克力棒融化时间比其他三组长得多。

此外还进行了室外冷却性能测试。图5d显示了室外测试装置的示意图，该装置由风速计、太阳功率计、测试箱、模拟皮肤(加热器)和温度记录仪组成。我们于2024年4月7日在中国哈尔滨(126°38’48.5″ E，45°43’19.6″ N)进行了FP-12-6、PE膜、PDMS膜、模拟皮肤在阳光直射下的户外温度测量。模拟皮肤温度设置为37°C。在测试过程中持续收集环境条件(图5e)，并使用温度记录仪连续监测温度变化5小时。图5f清楚地显示，FP-12-6覆盖的模拟皮肤温度比裸露皮肤、PE膜和PDMS膜覆盖的皮肤分别低4.3°C、5.0°C和5.5°C。

FP-12-6在室内环境中也表现出良好的冷却性能。如图5g所示，模拟皮肤温度为37°C，FP-12-6覆盖的模拟皮肤温度比PDMS膜覆盖的皮肤低1.4°C，而比裸露皮肤和PE膜覆盖的皮肤高1.2°C。室内外冷却测量的结果表明，FP-12-6织物为人体提供了良好的冷却效果。我们将冷却织物贴附在防护服上进行检测，如图5h所示，在室内环境中，FP-12-6覆盖的防护服温度低于未覆盖的区域。在阳光充足的户外条件下，也观察到两部分之间的显著温差。基于室内外冷却测量的综合结果，我们制备的FP-12-6有效地冷却了人体，提供了舒适的环境。

图5. 实际辐射冷却性能。(a) FP-12-6、PE薄膜和PDMS薄膜的室内模拟太阳光测试。(b) 巧克力融化实验示意图。(c) 巧克力融化实验结果。(d) 室外冷却测试装置示意图。(e) 室外测试中风速和太阳光强度的测量。(f) FP-12-6、PE薄膜和PDMS薄膜的室外冷却测试。(g) FP-12-6、PE薄膜和PDMS薄膜的室内冷却测试。(h) FP-12-6粘贴在防护服上的室内外冷却红外图像。

VI 总结

本研究开发了一种具有选择性辐射发射特性的全尺寸结构冷却织物。该冷却织物因半互穿孔和纤维的协同散射效应，实现了94%的太阳光反射率和6%的中红外辐射反射率。此外，选择性发射使FP-12-6在8-13 μm波段内表现出81%的辐射发射率，在2.5-25 μm波段内表现出25%的辐射透过率。理论计算表明，冷却织物在室内和室外的净冷却功率分别为26 W/m2和60 W/m2。实际检测结果表明，与典型的聚二甲基硅氧烷薄膜相比，FP-12-6在阳光充足的室外环境中表现出5.5°C的冷却效果，在室内环境中表现出1.4°C的冷却效果。这项工作为解决室外和室内冷却之间的不兼容提供了方案，为下一代更智能的个人热管理织物做出了贡献。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区Top期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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