中科院福建物质结构研究所吴立新、翁子骧团队开发出一种兼具辐射冷却、相变储热与仿生蒸发三重功能的新型纤维膜ATPT-70%。该材料通过多尺度结构设计攻克了传统热管理材料的光谱失配、汗热堆积和动态响应滞后等瓶颈，在0.2毫米超薄厚度下实现94%太阳光反射率，实现392.5W/m²的蒸发冷却功率，和93.6W/m²辐射冷却功率。相关成果发表于材料领域期刊《Advanced Functional Materials》。

研究背景与创新突破

  全球变暖导致极端高温事件频发，传统辐射冷却材料存在显著局限：常规电纺膜因纤维尺寸均一导致太阳光谱（0.3-2.5μm）覆盖率不足，反射率普遍低于80%；疏水性表面在高湿环境下阻碍汗液蒸发，形成隔热液膜；相变材料（PCM）负载量受制于纺丝工艺难以突破。研究团队创新性提出三重解决方案：首先采用电场诱导射流分裂技术构建多分散纤维网络（纤维直径0.1-2.5μm），通过米氏散射优化实现宽谱反射；其次模仿植物维管束设计梯度孔道结构，驱动定向汗液传输；最后通过纺丝-喷涂联用工艺实现70wt%相变微胶囊的高效负载。

材料设计与制备工艺

[图1：制备工艺与机理示意图]

  材料采用双层结构设计：底层为相变微胶囊/TPU复合层（P-TPU），通过同步静电纺丝（TPU溶液）与电喷雾（PCM分散液）工艺构建。当PCM质量分数达70%时，相变微胶囊在纤维基质中均匀分布（图2e-f），形成稳定的三维网络结构。表层为四丁基氯化铵（TBAC）改性的TPU分支纤维层（AT-TPU），30kV高压电场下射流分裂形成主纤维（1.5-2.5μm）与分支纤维（0.1-1.5μm）交织的网络（图2c-d），精准匹配太阳光谱强度分布。

光学与热学性能

[图2：多尺度纤维结构表征]

  ATPT-70%的光学性能显著超越传统材料：双层膜在300-2500nm波段平均反射率达94%，较商用聚酯纺织品（PET, 73.1%）提升28.8%。其反射谱拓宽源于多级散射机制——仿真模拟显示（图2a-b），0.1-2.5μm纤维与0.1-6μm孔洞协同覆盖了太阳光谱峰值区域。热管理性能方面，P-TPU层相变焓值达111.8J/g，100次冷热循环后仍保持96.3%的焓值（图3b-c），28℃相变温度精准匹配人体舒适区。

仿生蒸发与动态热管理

[图3：热管理机制与性能验证]

  材料的创新性之一在于结合了仿生汗液管理：AT-TPU层经亲水改性后接触角为84.7°（3秒内浸润），P-TPU层形成疏水表面（接触角135°）。当疏水侧接触皮肤时，3-6μm大孔径与0.1-2μm小孔径形成的梯度结构以及梯度润湿性产生毛细压差，驱动液体在2秒内穿透膜层（图4c左）。蒸发速率达1.5g/h，是PET纺织品的3.2倍（图4d）。

[图4：润湿性与蒸发机制]

  动态热管理测试揭示三重协同效应：无太阳辐射时，相变层缓冲环境温度突变，升温阶段降温2.4℃，降温阶段保温1.6℃（图3f）；500W/m2辐照下，材料表面温度较PET低9.6℃（图3h）；极端条件（1500W/m2）下温差扩大至17.4℃，且在22-35℃区间形成明显热缓冲平台（图3i）。材料的蒸发冷却贡献392.5W/m2功率，结合93.6W/m2辐射冷却，实现14.3℃温降（图4g）。

户外验证与应用前景

[图5：户外热管理测试]

  2025年3月福州正午测试（900-1100W/m2辐照）显示，覆盖ATPT-70%的手掌表面温度为19.0℃，较PET纺织品低9.1℃（图5a-b）。持续监测表明材料适应辐照波动：当环境温度高于28℃时降温5.7℃，低于28℃时保温2.3℃（图5e-f）。建筑节能模拟显示，该材料应用可使空调能耗降低23%。耐久性测试证实，紫外照射100分钟（相当户外6个月暴晒）后反射率保持88.4%，水蒸气透过率与棉织物相当（图4i），满足实际应用需求。

  该研究通过三个关键机制实现热管理技术：射流分裂技术实现0.1-2.5μm多分散纤维制备，克服厚度-反射率制约；植物蒸腾启发的梯度结构驱动高效蒸发（392.5W/m2）；纺丝-喷涂联用提升PCM负载瓶颈。ATPT-70%膜为高温高湿环境下的可穿戴设备、建筑节能及特种防护提供变革性解决方案，其“反射-储热-蒸发”协同机制为智能热管理材料设计树立新范式。

  研究获国家重大研发计划(2024YFE0107500)、福建省科技计划(2024N0063)资助.

  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