前言

柔性可穿戴面料技术是先进制造业与新兴产业结合的重要突破

Break是一项具有战略价值的“卡脖子”技术，对推动产业升级具有重要意义。

近年来，基于辐射冷却原理，利用织物内部波长/亚波长尺度的微观结构来实现对太阳辐射波段和红外波段的光谱控制已逐渐引起了个人热管理领域的关注。华中科技大学陶光明团队和浙江大学马耀光团队基于辐射制冷原理和形态分类的设计理念，围绕人们的生活需求，颠覆了传统的制冷理念。可在室外环境中被动使用的便携式“空调”——被动散热光学超织面料（Metafabric），以实现高效的室外个人热管理，让每个人都能得到凉爽。

被动冷却光学超材料织物具有分层形态结构，根据织物空间结构、纤维结构和纤维内部纳米结构在不同的空间、不同的尺度上进行分级，形成宏观有序、微观随机的分层形态系统（Hierarchical-morphology system），如图1所示。根据这种结构设计，0.3-25 μm光谱大致分解为三个波段，分别分配到超材料织物中不同级别的响应，最终实现对紫外、可见近红外和中红外波段的广谱精准控制。

图1 用于日间辐射降温的超材料织物示意图

研究团队将光电超材料技术与批量纤维制备技术相结合。选用绿色、环保、可生物降解的聚乳酸（PLA）作为纤维原料，引入特定波长的新光学特性，获得均匀连续的超材料纤维（图2a）。纤维强度足以使用缝纫机在商用织物上绣出任意字符和形状。在此基础上，我们进一步利用纺丝、编织和层压技术，获得了一种在太阳光波段（0.3-2.5 μm）反射率为92.4%，在中红外波段（8-13 μm）发射率为94.5%的超材料织物（图2 b)。

图2 超材料织物的表征：（a）超材料纤维照片； (b) 超材料织物照片

通过分层形状设计的创新织物技术，是材料-光学-纺织技术的跨领域、多学科协同创新。经过严格测试，在被动输入条件下，超材料织物可以实现全天低于环境温度2-10°C的良好降温效果（图3）。借助大气透明窗（8-13 μm），加强了热量与外部冷空间的热交换，有效阻隔了整个太阳辐射波段（0.3-2.5 μm）。

图3 超材料织物的散热性能测试：(a) 测试装置示意图和样品照片，比例5厘米 ; (b) 超材料织物24小时连续降温性能测试曲线（广州，2020年12月5-6日）

超材料织物在阳光直射的室外环境中表现出显着的降温效果。就像一台被动的便携式空调，它给用户带来了极大的凉爽和舒适感。研究团队通过制作半棉半超材料面料自制背心，对实际人体皮肤进行了多次测试，最终发现，与商业白棉面料相比，整个过程保持持续的水分蒸发，模拟皮肤在超材料面料相比棉可低至4℃。

图4 超材料织物在阳光下的实际性能表征。 (a) 超材料织物人体降温试验照片； (b) 超材料织物人体降温试验红外图像

柔性可穿戴织物技术是先进制造业与新兴产业结合的重要突破，具有战略价值对推动产业升级意义重大。独特的多层次结构设计，优化多尺度光学层次结构，有效调节超材料织物在太阳光谱中的精确光学响应，达到黑体辐射极限，表现出比以往工作更出色的功能。同时，再创造随机结构的超材料，不会增加制备难度和设备成本，与整个成熟的纺织行业兼容。并且具有零能耗、低成本、工业化批量生产等特点，适合大规模推广制备和工业化应用。

附录：陶光明教授介绍

陶光明，武汉光电国家研究院，华中科技大学 中心与材料科学与工程学院为双聘教授、博士生导师、华中学者特聘教授、人机智能交互联合实验室主任。陶教授致力于多材料特种光纤、用于精准微创腔内手术的柔性光纤医疗机器人、面向医疗全场景的智能织物技术的研究。先后在Science（1）、Nature（2）、Proc .纳特尔。阿卡德。科学。 （2）等国际学术期刊发表论文60余篇，授权国际/国内发明专利近20项，申请国家发明专利近60项（其中专利授权转让9项）。陶教授担任国家自然科学基金、之江实验室重大科研项目、陈嘉庚青年科学奖等科技项目评审专家，董事会副主任中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事，中国纺织科学院智能织物工作室主任，中国光学学会红外与光电专业委员会委员，中国独立会员红外医疗产业技术创新战略联盟，湖北省硅酸盐研究所所长，《激光与光电子进展》杂志编委，《纤维材料》杂志高级副主编等。

文章来源：《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0714/1516.html