中科大裴剛教授: 用於人體熱管理的發射率自適應調控織物

  • 2024-06-25 09:17
  • 熱輻射與微納光子學

轉自 沃特德古意特納米光子學


圖1 人體休息和運動狀態下發射率自適應調控織物的熱管理示意圖

  1. 1. 導讀


人體在休息與活動狀態下產生的熱量顯著不同，因此需要動態散熱來確保最佳的熱舒適度。傳統具有單一散熱和保溫功能的織物難以滿足環境和人體代謝水平變化帶來的動態散熱需求。
針對這個問題，近日中國科學技術大學裴剛教授團隊在Nanophotonics上發表最新文章，提出了一種發射率自適應調控的智能織物（SSSF）。該智能織物主要依賴人體在運動時汗液浸潤織物表面的低發射率銀納米線層（AgNWs）來進行發射率的自適應調控。在休息狀態下，SSSF以低發射率狀態保持輻射隔熱保溫；在劇烈運動狀態下，當汗水滲透SSSF時，織物表面的發射率增強，以強化輻射散熱（見圖1），這符合人體代謝水平變化帶來的散熱需求轉變。
該研究爲發射率自適應調節提供了一種可行的方法，同時提供了一種有效解決人體在各種活動狀態下動態散熱的思路，助力提升個人熱舒適性。


2. 研究背景


人體熱舒適性是一個廣受關注的話題，因爲它顯著影響我們的生理和心理健康。在不同的環境條件下，人體努力維持適宜的溫度範圍，以確保正常的生理功能。例如，在劇烈活動期間，人體肌肉變得高度活躍併產生大量熱量，需要有效的散熱來維持體溫在正常範圍內。相反，在休息狀態下，尤其在寒冷環境中，減少人體熱量散失是保持溫暖的關鍵。織物在管理人體熱舒適性方面起着關鍵作用，因爲它是人體與環境換熱的中間體。數據表明，超過50%的人體熱量通過熱輻射方式散失到環境中，因此通過優化織物的光譜特性可以有效影響人體的輻射散熱水平，從而改善熱舒適性。
近年來，隨着發射率工程技術的發展迅速，湧現了兩類先進熱管理織物，即輻射冷卻織物和輻射保溫織物，兩者通過增強和降低織物層的發射率來調節人體向環境的輻射散熱水平，在個人熱管理方面引起了人們的關注。然而，人體在休息和運動狀態下的代謝強度不同，這導致人體的散熱需求也不同的，因此需要動態熱管理方式來實現人體熱舒適。輻射冷卻織物和輻射保溫織物雖然能實現被動冷卻和保溫，但其單一的光譜特性無法滿足人體動態熱需求，因此需要開發發射率動態調控的織物以促進人體智能熱管理的發展。


3. 創新研究


針對上述問題，研究團隊提出了一種可行的解決方案—光譜自適應智能織物（SSSF）。該織物的結構主要包括聚酯織物及其頂層銀納米線覆蓋層，該織物能夠根據身體的運動狀態（休息時的乾燥態和運動時的溼潤態）自適應調節自身發射率。在休息狀態下，SSSF以低發射率狀態（0.39）保持輻射隔熱效果；在劇烈運動期間，當汗水滲透SSSF時，其發射率提高至0.83，強化輻射散熱（見圖2）。


圖2 SSSF的光譜調控機理及性能


通過對比實驗，研究團隊發現SSSF在低發射率模式下的輻射散熱功率相對於傳統織物減少了19.5%。當SSSF從低發射率模式轉換到高發射率模式時，散熱功率（含輻射和蒸發散熱）提升了67.6%（見圖3）。這些實驗結果表明，SSSF在不同狀態下能夠有效調節人體散熱水平，提供了較好的人體熱管理效果。


圖3 SSSF的熱性能實驗

4. 應用與展望


此類發射率自適應調控織物具有潛在的應用前景，可以應用於智能服裝、運動裝備等領域，顯著提升人們在各種環境下的舒適度和安全性。
該研究成果以“Adaptive fabric with emissivity regulation for thermal management of humans”爲題在線發表在Nanophotonics。
本文的作者分別是Xiansheng Li, Meiling Liu, Ken Chen, Lanxin Li, Gang Pei 和 Bin Zhao，其中李先勝博士研究生爲第一作者，裴剛教授和趙斌副教授爲共同通訊，第一和通訊單位爲中國科學技術大學熱科學和能源工程系。