一、研究背景
通过辐射冷却（Radiative Cooling, RC）技术可利用宇宙冷能，以实现热舒适与节能目标，该技术是一种极具前景的绿色热管理策略。然而，目前多数研究聚焦于最大化冷却功率，却忽视了动态环境变化对辐射冷却性能的制约。
二、主要内容
近期，陕西科技大学鲍艳教授&马建中教授团队采用静电纺丝技术，制备出一种双面结构（Janus-structured）聚酰亚胺复合纳米纤维膜，旨在实现复杂环境下的高效热管理。研究通过“电荷转移复合物失配”理念制备氟化聚酰亚胺，该材料不仅具备优异的辐射冷却性能，还能有效解决太阳高吸收问题（太阳平均反射率Rsolar=96.2%，中红外平均发射率εˉMIR=89.7%）。此外，将具有核壳结构的月桂酸 @氟化聚酰亚胺复合纳米纤维连续沉积在中空聚酰亚胺纳米纤维表面，构建出集辐射冷却、抗热震性（熔融焓 △Hm=107.6 J·g-1，结晶焓 △Hc=111.9 J·g-1）与隔热性能于一体的双面结构膜。
该结构展现出优异的辐射冷却功率（105.9 W·m-2）、温度调节能力（夏季可降温约 12.8℃，无光照条件下可维持温度 2400 秒），以及在复杂天气变化下的良好隔热性能。研究还系统总结了该结构在不同环境中的热管理机制与节能原理。基于上述优势，本研究为多功能集成辐射冷却材料的研发提供了设计思路与理论支撑。相关成果以“Janus-Structured Polyimide Composite Nanofiber Membrane Enabling Integrated Radiative Cooling, Thermal-Shock Resistance, and Thermal Insulation for Efficient Thermal Management in Complex Environments”为题目，发表在期刊《Advanced Fiber Materials》上。
图 1 双面结构（Janus 结构）聚酰亚胺（PI）纳米纤维复合材料结构图。
三、研究核心：材料设计与制备
（一）整体结构设计
采用同轴静电纺丝技术，结合“电荷转移复合物（CTC）失配增强”策略，制备出Janus（双面）结构聚酰亚胺复合纳米纤维膜（JFPL），实现辐射冷却（RC）、抗热震性与隔热性能的一体化集成。结构分为两层：
上层：核壳结构的氟化聚酰亚胺（FPI）@月桂酸（LA）纳米纤维（FPL），负责辐射冷却与温度调节；
下层：中空聚酰亚胺（PI）纳米纤维，通过高温模板去除法制备，提供优异隔热性能。
图 2 FPL复合纳米纤维微结构表征及性能优化。
（二）关键材料制备与优化
1. 氟化聚酰亚胺（FPI）的设计：通过在PI分子链引入-CF₃，利用其吸电子效应抑制苯环作为受体/供体的电荷转移能力，同时氟的电负性通过空间位阻增大分子自由体积、扩大分子链间距，进一步抑制CTC形成（即“CTC失配增强”）。DFT计算显示，FPI的最高占据分子轨道能量较PI降低4.9%，电子给体能力减弱；能量间隙较PI提高20.5%，电荷转移所需能量升高，有效削弱吸热。
FPL核壳纳米纤维制备：以FPI为壳、LA（高潜热固体-液体相变材料）为核，通过同轴静电纺丝控制核壳挤出比（0.2-1.0）制备FPL系列（FPL0.2至FPL1.0）。挤出比0.8时（FPL0.8）性能最优，可实现LA的有效封装，避免挤出比过高（1.0）导致的核壳结构破坏与LA暴露。
3. 中空PI纳米纤维制备：采用同轴静电纺丝结合高温模板去除策略，形成内部填充静态空气的中空结构，利用高孔隙率、低密度及多界面特性实现超低热导率。
图3 a 通过连续静电纺丝制备 JFPL（双面结构聚酰亚胺复合纳米纤维膜）的示意图。b JFPL 的实物照片。c JFPL 横截面的SEM图像与EDS 图像。d 上层表面的扫描电子显微镜。e 下层表面的扫描电子显微镜。
四、材料性能表征与分析
JFPL双面膜的综合性能
1. 隔热性能：下层中空PI纳米纤维热导率低至0.021 W/(m·K)，JFPL整体热导率0.042 W/(m·K)，显著低于FPL（0.072 W/(m·K)），可有效抑制内外热交换。
2. 力学与结构稳定性：JFPL质量轻（2×2 cm样品仅0.05 g），可承载267 g水并实现360°扭转，柔韧性优异；1000次弯曲循环后上下层无分离（依赖“互联焊接网络”与纤维缠绕），拉伸应变（35.11±3.74%）、应力（2.22±0.16 MPa）较FPL0.8分别提升26.7%、200%（应力主要由下层承担）。
3.光学与辐射冷却性能：JFPL的Rsolar达96.2%、εˉMIR达89.7%，净冷却功率最高105.9 W/m²（环境温度300 K、太阳辐射800 W/m²条件下）；即使在非辐射换热系数8 W/(m²·K)（模拟复杂对流环境）下，冷却温差仍达8.5℃，优于现有多数辐射冷却材料。
五、热管理性能验证（模拟与户外测试）
（一）模拟环境测试
1. 热冲击循环测试：在多次太阳辐射开关循环中，JFPL覆盖腔体温升/降温速率显著低于单一中空PI（隔热材料）与FPI（辐射冷却材料）。关灯后，中空PI、FPI的平均冷却速率分别为3.6℃/min、2.6℃/min，而JFPL仅0.68℃/min；重启辐射后，JFPL平均升温速率0.39℃/min，温度波动小，稳定性优异。
2. 不同温度场景适配：低温环境下，下层中空PI通过多界面散射、抑制气固传热，减少内部热量向外流失；高温环境下，上层FPL反射阳光、辐射散热，LA相变储能延缓升温，同时下层阻隔上层热量向下传递，实现“双向控温”。
（二）户外实际测试（西安地区）
1. 夏季测试（2024年8月1日）：正午太阳辐射峰值850 W/m²、环境温度38.2℃时，JFPL覆盖腔体温较中空PI低15.3℃、较FPL低3.1℃，最大冷却温差达12.8℃；傍晚降温阶段，因相变释热与隔热作用，降温速率慢于其他材料。
2、复杂环境测试：阴天环境下，JFPL在太阳辐射剧烈变化时仍保持温度稳定；湿热环境（相对湿度57.2%、环境温度35.1℃）中，温度波动更小且整体温度更低；冬季（2025年1月13日，环境温度8.7℃）12:00-15:00时段，JFPL温度较FPL高5.3℃，15:00后仍维持较高温度，体现保温能力。
3. 长期稳定性：经100小时紫外（UV）老化后，JFPL的温度控制性能与太阳反射率无显著变化，长期户外应用稳定性良好。
图4 a 中空聚酰亚胺（PI）、氟化聚酰亚胺 @月桂酸复合纳米纤维（FPL）及双面结构聚酰亚胺复合纳米纤维膜（JFPL）的热导率对比图。b 55℃条件下，加热台、中空 PI、FPL 及 JFPL 的温度变化曲线。c 不同冷却材料在多次热冲击下的温度变化曲线。d 户外热性能测试装置示意图。e 中国西安地区（2024 年 8 月 1 日）不同冷却材料覆盖下空腔的实时温度变化图。f 不同非辐射传热系数下 JFPL 的冷却功率曲线。g JFPL 作为节能建筑材料的潜在应用示意图。h JFPL 在不同环境中的工作原理示意图。
五、结论
该研究成功制备出Janus结构聚酰亚胺复合纳米纤维膜（JFPL），通过CTC失配增强优化FPI光学性能，结合核壳相变结构与中空隔热层，实现辐射冷却、抗热震性与隔热的一体化。户外测试与模拟实验证明，JFPL在夏季、冬季、阴天、湿热等复杂环境下均具备稳定高效的热管理能力，为解决传统冷却技术能耗高、单一辐射冷却环境适应性差的问题提供了新方案，对推动绿色热管理技术发展具有重要意义。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00607-9
