《Materials Today Physics》：Progress in Passive Daytime Radiative Cooling of Fibers and Textiles
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李刚|沈亚楠|薛宇昌|薛子宁|李成刚|张鹏宇|杨晓|徐玉杰|郑兴华|陈海生|张婷中国科学院工程热物理研究所，北京 100190，中国摘要：能源消耗产生的过量碳排放加剧了温室效应，增加了极端高温事件的频率，对白天进行户外活动的个人健康构成了威胁。因此，无需外部能源的个人热管理技术受
李刚|沈亚楠|薛宇昌|薛子宁|李成刚|张鹏宇|杨晓|徐玉杰|郑兴华|陈海生|张婷
中国科学院工程热物理研究所，北京 100190，中国
摘要：
能源消耗产生的过量碳排放加剧了温室效应，增加了极端高温事件的频率，对白天进行户外活动的个人健康构成了威胁。因此，无需外部能源的个人热管理技术受到了越来越多的关注。被动式日间辐射冷却（PDRC）是一种冷却方法，它在白天提供高太阳反射率，并利用物体自身的热辐射将其能量释放到外太空（约3 K），而无需消耗任何外部能量。近年来，在建筑、电子设备和个人热管理等领域，PDRC技术取得了显著进展。然而，专注于PDRC纺织品的系统评价仍然有限，许多实验室开发的系统仍未能满足实际冷却需求。本文介绍了PDRC的基本原理，并从纤维制造技术的角度总结了可穿戴PDRC纺织品的最新进展，特别强调了材料选择和结构设计策略。此外，还讨论了纺织应用中的关键挑战，并指出热拉伸是一种构建微/纳米结构的有前景的策略，为可持续和多功能辐射冷却纤维的发展提供了可扩展的途径。
引言
能源危机和全球变暖是21世纪人类面临的最紧迫挑战之一[1]。当今全球能源系统的基石仍然是传统的化石燃料，如石油、煤炭和天然气[2]。由于人类活动的加速开发，这些资源的储备正在逐渐减少，引发了人们对能源安全和可持续性的深切担忧。然而，对化石燃料的依赖带来了巨大的环境负担，因为它们的燃烧不仅产生能量，还会释放大量温室气体和各种有害污染物[3]、[4]。在各种排放物中，二氧化碳是最主要的温室气体，对全球气候有着特别深远的影响[5]、[6]。具体来说，大气中二氧化碳的持续积累增强了温室效应，形成了一个“隔热层”，使入射的太阳辐射能够到达地球表面，同时限制了长波热辐射向外太空的散失。根据最新报告，2024年全球二氧化碳排放量约为382亿吨，导致全球平均温度预计上升2.5–3°C[7]。全球变暖的加剧引发了严重的环境后果，包括极地冰盖和冰川加速融化、海平面上升、降水模式紊乱以及极端天气事件更加频繁[8]、[9]。为了应对温度上升，空调已成为室内不可或缺的生存设备。然而，空调是高能耗设备，需要大量的电力[10]、[11]。尽管可再生能源发展迅速，但全球电力仍然主要由热能发电主导，这在能量转换过程中导致了大量的二氧化碳排放[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。根据国际能源署的数据，燃煤电厂仍然是全球二氧化碳排放的主要来源[17]、[18]、[19]。因此，空调的广泛使用间接促进了化石燃料的消耗和温室气体的排放[18]、[20]、[21]，进一步加剧了全球变暖并增加了冷却需求。打破这一循环，转向低碳、节能的冷却策略至关重要。
此外，白天暴露在户外环境中的个人——如消防员、士兵、执法人员以及建筑工人——更容易受到过热压力相关疾病的影响[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。当核心体温超过37.5–38.3°C或低于35°C时，正常的生理功能可能会受损，从而带来严重的健康风险[28]。然而，建筑环境通常依赖于整个空间的温度控制策略，而不是针对个别用户的精确调节，这导致了大量的能源浪费。由于代谢率和健康状况的差异，这种效率低下问题更加严重。因此，这些方法既不能确保普遍的舒适度，也不能实现高能源效率。此外，传统的冷却技术（如空调和风扇）由于高能耗和缺乏便携性，主要限于室内应用，无法有效用于户外环境。
在解决节能、减排和减缓排放问题方面，被动式日间辐射冷却（PDRC）提供了一个有前景的解决方案[29]、[30]。PDRC技术在白天提供高太阳反射率，并利用物体自身的热辐射将其能量释放到外太空（约3 K），而无需消耗任何外部能量[31]。它可以在不消耗能源或水的情况下实现低于环境温度的冷却，被认为是环保、被动且可持续的，从而减少了对化石燃料及其相关排放的依赖[29]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。与此同时，局部热调节催生了个人热管理的概念[41]、[42]、[43]。由于大约50–60%的人体热量通过热辐射散发，控制与周围环境的辐射热交换在热舒适度中起着关键作用[44]、[45]。在这种情况下，开发有效的个人热管理方法变得越来越重要。将PDRC技术整合到纤维中，可以制造出先进的功能性纺织品[43]、[46]、[47]、[48]（图1）。这些纺织品可以调节湿度和温度，从而提高局部热舒适度。随着对智能可穿戴技术需求的增加，面向个人热管理的纺织品旨在通过被动冷却和湿度管理在炎热或潮湿的环境中保持热舒适度[49]、[50]、[51]。值得注意的是，将空调设定点提高2°C就可以将冷却能耗降低约20%[52]。因此，在人体周围创造局部热舒适度，而不是冷却整个室内空间，是一种节能策略，具有显著的应用潜力[53]、[54]。
已经开发了多种方法来制造具有PDRC功能的纤维，例如电纺[55]、熔融纺[56]、湿纺[57]、微流控纺[58]和被动辐射冷却功能涂层[59]。有机聚合物是主要材料，因为它们具有优异的加工性、低成本、柔韧性和可塑性。同时，聚合物中的丰富化学键和功能基团确保了它们在大气透明窗口内的高发射率[60]。通过将PDRC技术整合到聚合物纤维中并组装成纺织品，可以实现有效的个人热管理解决方案[61]。目前的策略侧重于在红外大气窗口内实现高发射率，并在太阳光谱范围内实现最小吸收[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]。为此，已经探索了多种结构设计，包括多层结构[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、超材料结构[74]、[75]、多孔结构[76]、[77]、[78]、[79]以及随机分布的纳米粒子结构[80]、[81]、[82]、[83]。这些设计提供了强烈的光谱选择性，提高了太阳反射率和红外发射率。因此，PDRC纺织品可以在白天条件下提供高效的被动冷却性能。
本综述总结了PDRC在个人热管理中的潜力及其在基于纤维的纺织品中的最新应用。现有的综述缺乏基于现有生产过程开发功能性纺织纤维材料适用性的系统评估。根据传统的纤维制造技术对PDRC纺织品进行分类，提供了一个系统框架，将加工路线与微观结构特征、光学行为和冷却性能联系起来，同时能够全面评估其可扩展性和实际应用性。因此，本文系统地根据纤维制造方法（即电纺、熔融纺、湿纺、微流控纺和被动辐射冷却功能涂层）对有机聚合物基PDRC纺织品进行了分类，并总结了它们的最新进展和性能提升策略。此外，还简要介绍了PDRC的原理和公式，以及每种制备方法背后的原理。本综述重点总结了将PDRC技术整合到纺织品中的关键成就。基于这些发现，提出了一些挑战和建议，以促进此类功能性纺织品的进一步改进和发展。特别是，建议在未来辐射冷却纤维的制造中应用热拉伸技术作为有前景的策略。
章节片段
原理
任何高于0 K的物体都可以吸收和发射电磁辐射。在晴朗的白天条件下，地球上的物体不断与其周围环境和外太空进行辐射交换，导致不同温度的物体之间的热量传递[30]。地球的热平衡主要由与外太空的辐射交换决定，这一过程由大气层介导。作为主要能源，太阳发出的辐射主要集中在0.3–2.5 μm波长范围内[43]。为了最小化
制造
本节重点介绍了PDRC技术整合到纺织品中的最新进展。讨论按制造方法组织，包括电纺、熔融纺、湿纺、微流控纺和被动辐射冷却功能涂层。对于每种技术，都介绍了其基本原理和相对优点。辐射冷却纺织品还根据结构设计和应用目标进行了分类。
总结与展望
本文全面概述了被动辐射冷却作为个人热管理新兴策略的最新进展，强调了在不同纺织材料和结构中的功能设计。系统地讨论了其背后的机制、材料系统和应用前景。通过将五种制备方法——电纺、熔融纺、湿纺、微流控纺和被动辐射冷却功能涂层——进行分类
CRediT作者贡献声明
陈海生：指导。 张婷：指导、资金获取、概念构思。 李刚：撰写——初稿。 沈亚楠：撰写——审稿与编辑。 薛宇昌：研究。 薛子宁：概念构思。 李成刚：撰写——审稿与编辑。 张鹏宇：研究。 杨晓：撰写——审稿与编辑。 徐玉杰：指导。 郑兴华：指导
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFB3809800）、中国科学院的科学仪器开发项目（编号：PTYQ2025TD0018）、江苏省人才计划（编号：JSSCRC2023545）、江苏省基础研究计划（编号：BK20251714）以及南京国际科技合作项目（编号：202512034）的支持。
