【成果介紹】
能源消耗和氣候變化是人類面臨的兩大問題。傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)所帶來的高能耗挑戰(zhàn)，以及由此導致的溫室氣體的過度排放，不斷加劇全球變暖和極端天氣，對世界經(jīng)濟造成重大影響。同時，人們在生產(chǎn)和作業(yè)時不可避免地需要暴露在高溫暴曬的室外環(huán)境，因此，實現(xiàn)零能耗的戶外防護成為人們迫切的需求，具有重要的科研價值和戰(zhàn)略意義。作為一種面向人體個性化需求、實現(xiàn)人體局部環(huán)境加熱或冷卻的技術(shù)，“個人熱管理”可以避免將多余的電力浪費在加熱或冷卻整個建筑物上，具有更高的能源效率，逐漸成為綠色環(huán)保、高科技、個性化的方案。通過衣物進行熱管理是維持人體個性化熱舒適需求的有效方法，有望高效率、低能耗地避免熱應激對人體造成的傷害。
痛點問題：1、傳統(tǒng)防護服飾包括涂層防曬技術(shù)、涼感纖維技術(shù)以及嵌入式有源降溫技術(shù)，存在不耐洗滌、降溫效果差、有源能耗、笨重不輕便等問題；2、目前輻射制冷織物結(jié)構(gòu)調(diào)控方式相對單一。光譜調(diào)控范圍主要僅集中在中紅外波段，無法實現(xiàn)戶外陽光直射炎熱環(huán)境的有效制冷；3、現(xiàn)有戶外制冷織物存在低太陽輻射散射效率、強紫外吸收以及與紡織工藝兼容性差等瓶頸問題。
解決方案：本技術(shù)基于輻射制冷原理和結(jié)構(gòu)分級設計理念，研發(fā)了具有形態(tài)分級結(jié)構(gòu)的超材料織物。該無源制冷超材料織物技術(shù)顛覆傳統(tǒng)耗能制冷模式，基于光學超材料技術(shù)和先進紡織技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新，在暴曬環(huán)境可實現(xiàn)高效無源的降溫，綠色環(huán)保、柔軟親膚、舒適透氣，順應全球綠色低碳發(fā)展潮流，可同時解決戶外極端高溫問題，且適合大規(guī)模量產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應用。
【技術(shù)優(yōu)勢】
無源制冷超材料織物不僅在陽光直射的室外環(huán)境下展現(xiàn)了顯著降溫效果，且具有綠色環(huán)保、柔軟親膚、舒適透氣、耐洗滌等優(yōu)點，為個人熱管理提供了一種低成本、零能耗、可量產(chǎn)、高效的個性化方案。
（1）形態(tài)分級的結(jié)構(gòu)設計拓寬光譜響應范圍。具有形態(tài)分級結(jié)構(gòu)的超材料織物宏觀上體現(xiàn)為多層織物結(jié)構(gòu)。其根據(jù)織物的多層空間結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)，以及纖維內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)，在不同的空間、不同的尺度上進行分級，分別響應紫外、可見-近紅外以及中紅外波段，在太陽光波段（0.3-2.5μm）具有92.4%的反射率、在中紅外波段（8-13μm）具有94.5%的反射率。形態(tài)分級的設計理念有效避免了不同波段光譜之間的串擾，實現(xiàn)涵蓋太陽輻射波段至中紅外波段的高效寬光譜調(diào)控。
（2）與批量制備的先進紡織技術(shù)相兼容。基于可擴展、高通量、全自動制造技術(shù)，可以與整個成熟紡織行業(yè)相兼容，克服了長期以來將實驗室規(guī)模的織物應用于熱管理實際場景的挑戰(zhàn)。
（3）陽光直射的戶外環(huán)境實現(xiàn)良好的降溫效果。超材料織物具有良好的日間輻射制冷能力為輻射制冷織物的設計提供了一種全新的思路，為實現(xiàn)極端環(huán)境下的戶外個人熱管理提供了一種低碳環(huán)保的、低成本的、可批量制備的解決方案。
【應用領(lǐng)域】
無源制冷光學超材料織物可轉(zhuǎn)化為常規(guī)穿戴產(chǎn)品、特種穿戴產(chǎn)品、戶內(nèi)外非穿戴產(chǎn)品三大類別產(chǎn)品在不同領(lǐng)域中廣泛應用。
常規(guī)穿戴產(chǎn)品面向健身運動、散步休閑、職場等工作領(lǐng)域，可生產(chǎn)加工成社交服、日常服、職業(yè)服、運動服、舞臺服等，起降溫防護作用；
特種穿戴產(chǎn)品面向嚴酷工作環(huán)境提供特殊保護，比如環(huán)衛(wèi)工人、交警、快遞外賣員、消防員等高溫工作群體，給予最大舒適度；
戶內(nèi)外非穿戴產(chǎn)品面向室外野營、家具日用品等領(lǐng)域，可加工成遮陽傘、野營帳篷、窗簾飾品等，零能耗地滿足散熱需求。
【應用實例】
基于批量纖維制備技術(shù)和先進紡織技術(shù)可獲得均勻連續(xù)的超材料纖維及織物，借助大氣透明窗口（8-13μm）增強熱量與外部寒冷空間的熱交換，可對整個太陽輻射波段（0.3-2.5μm）實現(xiàn)高效的阻擋。在無源條件下，可實現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度2-10℃的輻射制冷效果（廣州，2020年12月5-6日）。在正午時間段的模擬人體測試中（廣州。2020年11月28日），超材料織物所覆蓋的模擬皮膚相較于棉、氨綸、雪紡、麻一系列同色商業(yè)棉量可低5-7℃。在人體表面降溫測試中，相較于商用白色棉，超材料織物可對人體體表降溫超過4℃（廣州，12月7日）。進一步地，利用紅外相機記錄人體體表的溫度變化（西雙版納，12月13日），結(jié)果顯示，在長達30分鐘的日照后，志愿者前胸左右兩側(cè)體表呈現(xiàn)出明顯溫差（圖1A-B）。在模擬汽車測試中（廣州，2020年12月7日），覆蓋超材料織物的汽車模型內(nèi)部溫度低于覆蓋市售車罩的汽車模型超過27℃（圖1C），低于無覆蓋的汽車模型超過30℃，在陽光直射的室外環(huán)境下展現(xiàn)了顯著的降溫效果。且在150h的紫外老化測試（GB/T 31899-2015）以及＞50次的洗滌測試（漂洗/脫水）后，織物的性能幾乎不受影響。無源制冷超材料織物技術(shù)與現(xiàn)有紡織行業(yè)相兼容，成熟度高，適合大規(guī)模推廣制備，具有優(yōu)異的降溫效果和應用潛力。
圖1超材料織物降溫性能測試。（A）超材料織物與棉對人體體表降溫對比測試照片。（B）人體體表降溫對比測試紅外圖（左邊為棉，右邊為超材料織物）。（C）超材料織物與商用市售車罩降溫性能對比測試。
【知識產(chǎn)權(quán)】
已申請發(fā)明專利9項
【市場前景】
市場廣度：柔性無源制冷超材料織物面向人體個性化需求，可嵌入紡織面料實現(xiàn)智能織物的大規(guī)模生產(chǎn)和應用。且得益于織物形態(tài)，可擴展服務于高端智能服裝、特種服裝、高端先進建材、個人熱管理裝置、冷鏈系統(tǒng)、智能倉儲系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，應用前景廣泛，進一步促進纖維新材料技術(shù)和高端紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
經(jīng)濟價值：無源制冷超材料織物產(chǎn)品成本與常規(guī)織物類似，但科技創(chuàng)新的技術(shù)壁壘賦予其高附加值，且由于高溫防護需求量逐漸提高，市場規(guī)模巨大，可帶來較高的產(chǎn)品經(jīng)濟效益。
【合作方式】
技術(shù)服務、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)許可、技術(shù)入股、面談
【專家介紹】
陶光明，華中科技大學武漢光電國家研究中心和材料科學與工程學院雙聘教授、博士生導師、華中學者特聘崗教授、人機智能交互聯(lián)合實驗室主任。陶教授致力于研究多材料特種光纖、面向腔內(nèi)精準微創(chuàng)手術(shù)的柔性纖維醫(yī)療機器人以及康養(yǎng)全場景的智能織物技術(shù)等跨學科研究工作，先后在Science（1），Nature（2），Proc. Natl. Acad. Sci.（2）等國際學術(shù)雜質(zhì)發(fā)表論文60余篇，擁有已授權(quán)國際/國內(nèi)發(fā)明專利近20項、申請國家發(fā)明專利近60項（其中專利許可轉(zhuǎn)讓9項）。陶教授為國家自然科學基金委面上項目、之江實驗室重大科研項目和陳嘉庚青年科學獎等科技項目擔任評審專家、任中國材料研究學會纖維材料改性與復合技術(shù)分會理事會副主任、中國紡織科學研究院智能織物工作室主任、中國光學學會紅外與光電器件專業(yè)委員會委員、中國紅外醫(yī)學產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟獨立委員、湖北省硅酸鹽學會理事、激光與光電子學進展期刊編委、Advanced Fiber Materials期刊副主編等。
【聯(lián)系方式】
