文獻前沿丨Adv. Fiber Mater.：面向自供能傳感與熱調控的光子工程化輻射冷卻電子紡織品

現有電子織物雖然柔性、可穿戴，但一旦為了實現多功能而疊加多層結構，往往會犧牲透氣性、舒適性和界面穩定性；同時，器件長期工作還面臨兩大瓶頸，一是持續供電困難，二是戶外穿戴時人體熱量積聚、熱舒適性差。已有摩擦電紡織品能把人體運動轉成電能，但熱管理不足；已有輻射冷卻方案又常因薄膜粘附或紗線孔隙過大而影響耐久性、透氣性與調控能力。因此，作者希望把“自供能傳感”和“被動降溫”整合到同一塊織物里，并且盡量不破壞可穿戴體驗。為此，研究構建了一種輻射冷卻摩擦電織物（radiative cooling triboelectric textile, RCTT），通過靜電紡絲制備SEBS/F127纖維層，再引入TiO2耦合、氟硅烷改性和液態金屬/銀電極，使其同時具備能量采集、動作傳感與熱調控能力。相關成果以Photonic?engineered radiative cooling e?textiles for self?powered sensing and thermoregulation為題發表在Advanced Fiber Materials上。

文章首先指出電子紡織品在多功能集成過程中容易出現舒適性下降、透氣透濕性受損、界面穩定性不足，以及持續供電和戶外熱舒適性難以兼顧等問題，在此基礎上提出將自供能傳感與被動輻射冷卻集成到同一織物中的思路，并展示了應用場景、貼膚佩戴方式、TiO2在纖維表面的錨定方式以及材料的反射率和發射率（圖1）；隨后介紹了RCTT的制備過程，包括SEBS/F127纖維層的構建、TiO2耦合與氟硅烷改性、銀納米顆粒沉積和液態金屬合金化電極的形成，并通過形貌、物相和元素分布結果說明層級結構已形成（圖2）；接著測試了材料的疏水、自清潔、透氣透濕、導電穩定性和力學性能，說明該織物在大變形條件下仍能保持可穿戴所需的基本性能（圖3）；之后評估了摩擦電輸出與應用表現，包括不同應變和頻率下的輸出、負載功率、電容充電以及步行、跑步、跳躍、肘關節彎曲和羽毛球揮拍等動作監測（圖4）；最后分析了輻射冷卻機理，測試了其太陽反射、中紅外發射、晴天和陰天條件下的室外冷卻表現，并進一步通過模擬皮膚和人體穿戴實驗驗證了實際降溫效果（圖5、圖6）。

圖1 (a)所設計的舒適穿戴型RCTT的潛在應用示意圖。(b) RCTT佩戴在人手腕上的照片。(c) TiO2納米顆粒通過醇解反應錨定在SEBS/F127纖維表面的示意圖。(d) RCTT的反射率和發射率。

圖2 (a) RCTT的制備過程。(b)分子鍵合策略與耦合反應機制示意圖。(c)錨定在纖維表面的TiO2納米顆粒的SEM圖像。(d) F–TiO2–SF的XRD圖譜。(e) LM–Ag–SF的合金化機制與機械激活過程。(f) LM–Ag–SF的光學顯微圖像。(g)電極的XRD圖譜。(h)截面SEM圖像及對應的元素分布圖。

圖3（a）F–TiO2–SF對不同液體表現出的疏水性照片；（b）對應的接觸角；（c）F–TiO2–SF在大拉伸和彎曲狀態下的疏水性；（d）F–TiO2–SF的自清潔測試；（e）隨磨損循環增加，F–TiO2–SF的水接觸角和TiO2含量百分比變化；（f）透氣性展示照片；（g）透氣性和透濕性數值；（h）不同電極在應變作用下的電學性能；（i）不同應變下電極對LED亮度的影響；（j）不同紡織物的拉伸應力–應變曲線；（k）RCTT的循環拉伸–釋放曲線。

圖4（a）應變依賴的輸出電壓；（b）頻率依賴的輸出電壓；（c）負載特性曲線；（d）33 μF電容的連續充放電曲線（插圖顯示該電容為電子手表供電）；（e）行走、跑步和跳躍的運動監測信號；（f）肘關節在45°、90°和120°彎曲時的監測曲線；（g）單次羽毛球揮拍的監測曲線；（h）不同速度下羽毛球揮拍的監測曲線。

圖5（a）基于化學鍵的輻射冷卻機理示意圖；（b）TiO2納米顆粒的形貌；（c）TiO2納米顆粒散射效率隨粒徑變化的關系；（d）不同紡織物的太陽光反射率曲線和中紅外發射率曲線；（e）陽光下冷卻性能測試裝置的照片與示意圖；（f）晴天條件下的冷卻性能曲線；（g）對應的凈冷卻功率；（h）陰天條件下的冷卻性能曲線；（i）對應的凈冷卻功率。

圖6（a）太陽輻照測試裝置照片（該裝置由帶嵌入式加熱器的模擬皮膚、用于溫度監測的熱電偶以及覆蓋在模擬皮膚上的RCTT組成）；（b）陽光下覆蓋在模擬皮膚上的織物樣品溫度曲線；（c）RCTT輻射冷卻機理示意圖：通過反射陽光并傳遞人體熱輻射實現降溫；（d）志愿者在陽光下分別穿戴RCTT和棉織物時的熱成像圖。

小結：該研究設計了由F–TiO2–SF功能層和LM–Ag–SF導電層組成的分層多孔結構，通過TiO2提升太陽反射與表面粗糙度、通過氟硅烷增強紅外發射與疏水性、通過液態金屬—銀合金電極保證大變形下導電穩定；隨后系統表征了其潤濕性、透濕透氣性、力學性能、摩擦電輸出和輻射冷卻性能。結果顯示：材料太陽反射率達92%，8–13 μm大氣窗口內紅外發射率達96%；最大瞬時功率密度為328 mW·m-2，循環5100次后輸出仍穩定；在晴天和陰天分別可實現低于環境溫度2.0 ℃和1.1 ℃的降溫，白天凈冷卻功率為78.5 W·m-2；模擬皮膚測試中較棉布額外降溫5.5 ℃，人體實測10 min后皮膚溫度較棉布低3.4 ℃。

論文信息:Fan, Chonghui; Long, Zhiwen; Wu, Mengwei; Li, Lianhui*; Wei, Qufu*; Wu, Changsheng*. Photonic-engineered radiative cooling e-textiles for self-powered sensing and thermoregulation. Advanced Fiber Materials. 2026:1-13.

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