清华大学张如范课题组Advanced Materials Technologies综述：用于个人热管理的可穿戴辐射冷却织物

近日，清华大学张如范团队在Advanced Materials Technologies上发表了题为“Wearable Radiative Cooling Fabrics for Personal Thermal Management”的综述文章，系统梳理了辐射冷却织物领域的最新进展，深入解析人体热量交换的基本模型，以及基于高太阳反射率与中红外发射率协同作用的核心冷却机制。文章总结了材料光谱设计、制造工艺及结构优化策略，还介绍了蒸发-辐射耦合、温湿度调控等多功能集成技术，对关键性能指标进行量化评估。此外，文章还探讨了辐射制冷技术在自适应体温调节和健康监测等新兴应用中的潜力，彰显其多功能特性（图1）。最后，文章指出当前面临的挑战，并对其未来研究方向做了展望。

图1.多功能辐射冷却纺织品的材料结构、制造方法和应用

全球工业化加剧了气候变暖，致使极端高温事件频发，严重威胁人类生命安全。核心体温超过38.3 ℃易引发热相关疾病并阻碍经济发展。虽然人体可通过代谢调节和汗液蒸发维持热平衡，但在高强度运动或极端环境下，这些机制可能失效（图2a-b）。在此背景下，人体热管理技术作为一种创新的节能途径备受关注，其通过精确调控人体微环境中的热传递过程，显著提高了能源使用效率。辐射制冷织物就是一类具有广阔应用前景并且备受关注的人体热管理技术，其利用地球（约300 K）与外太空（约3 K）之间的温差，将热量以电磁波形式经由“大气窗口”（Atmospheric transparent window，ATW，8–13 μm）辐射至外太空；同时，借助光子结构设计实现高太阳光反射，从而有效降低人体温度。现有辐射冷却织物根据热管理机制可分为三大类：第一类是透射型织物，通过优化人体辐射波段的高红外透射率，建立高效热辐射通道以促进皮肤散热，主要适用于室内环境（图2c）；第二类是发射型织物，借助高太阳反射率抑制外部热量吸收，并利用高中红外辐射率增强散热效果（图2d）；第三类是选择性透射/发射型织物，通过精准光谱设计在大气窗口内实现高辐射率，同时在太阳光和非窗口中红外波段具有高反射率，以实现全天候自适应温控（图2e）。值得指出的是，张如范团队开发的聚甲醛纤维基多场景适用型辐射制冷材料（Nature Sustainability, 2023, 6, 1446–1454）（图3a-d）以及集成针织导汗与涂层导热功能的辐射制冷超织物（ACS Nano, 2025, 19, 1, 826–836）（图3e-f），是选择性发射/透射型织物的典型代表。

图2. PTM辐射冷却的基本机制。a)人体皮肤温度（33 °C）下的理论黑体辐射光谱，b）不同环境温度下各散热途径对全身热损失的相对贡献。c)透射型辐射制冷织物。d)发射型辐射制冷织物。e)选择性透射/发射型织物。

图3. a)自适应人体辐射冷却功能的纺织品设计示意图。b）聚甲醛的FTIR-ATR光谱。c)聚甲醛纺织品照片。d)不同环境下商业服装和聚甲醛织物下皮肤的平均温度。e)辐射制冷超织物结构示意图。f)室外环境下有汗液人体皮肤的实际温度对比。

辐射冷却织物的材料设计、性能评价与应用功能集成

辐射冷却织物的材料设计涵盖多种制备方法，包括纤维纺丝（熔融/静电）、功能涂层（浸渍/电喷涂）、自组装、相分离及3D打印，这些工艺常与表面改性、薄膜复合和多层结构设计协同，以调控太阳光反射与热辐射性能。典型织物结构包括多孔纤维、三维编织、多层复合和仿生光子异质结构，分别通过调控孔隙与纤维尺寸、构建仿生热通道、设计折射率梯度及引入周期性纳米结构，以实现光学性能、热舒适性与机械耐久性的协同优化。

性能评价方面，光谱分析通过紫外-可见-近红外光谱与傅里叶变换红外光谱分别量化太阳反射率及红外反射与透射率，并依基尔霍夫定律计算发射率；热传导特性则通过热导率与热扩散率表征。理想织物需兼具高太阳反射率与中红外高发射率以提升冷却效能，同时具备高透湿性、透气性、机械强度与柔韧性以保障穿着舒适与实际应用。辐射与蒸发冷却机制的结合，以及疏水、抗污、自清洁等多功能集成，进一步增强了其在户外热管理中的实用潜力与可持续发展价值。

总结和展望

本综述系统构建了辐射冷却功能织物的完整研究框架，涵盖热管理理论体系、光谱调控策略、制备工艺与应用评估方法等核心要素。尽管其物理机理与材料设计已取得显著进展，该技术迈向商业化仍面临多项挑战，尤其在协同优化透气性、湿管理、视觉美观性与热性能方面亟待突破。未来研究方向应聚焦于材料体系的创新、多功能集成、跨学科应用拓展、环境可持续性提升以及与市场实际需求的紧密结合：

色彩与美观限制：目前辐射冷却面料多以白色高反光材料为主，视觉单一且易造成光污染，制约其日常穿戴适用性。开发兼具热管理性能与视觉美感的彩色辐射冷却织物，成为推广的迫切需求。

可穿戴设备的热舒适性问题：皮肤贴附式健康监测器等可穿戴设备在长期使用时易导致热量积聚与微环境紊乱，影响舒适性与安全性。集成辐射冷却技术可有效缓解该问题，为新一代可穿戴设备提供功能-热管理协同解决方案。

单向热管理的适应性局限：辐射冷却与太阳能加热虽提供零能耗热管理方式，但其单向性难以应对多变的气候条件。发展能够根据环境实现冷却与加热智能切换的双向热调控策略，是提升实用性的关键。

环境可持续性挑战：传统辐射冷却纺织品多使用不可生物降解材料，易造成环境污染。推动可再生材料与低碳制造工艺的应用，对于降低全生命周期生态影响至关重要。

文章信息：

Linan Feng, Kangkang Wang, Aike Xi, Zhenyu Guo, Xinnong Wang, Ya Huang, Zhuojing Zhao, Siming Zhao, and Rufan Zhang*, Wearable Radiative Cooling Fabrics for Personal Thermal Management, Adv. Mater. Technol. 2025, e01351.

https://doi.org/10.1002/admt.202501351