2024年度中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)獎近日揭曉。由南京大學(xué)能源與資源學(xué)院院長朱嘉教授作為項目第一完成人與武漢紡織大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所共同完成的“基于纖維集合體的輻射調(diào)控原理及應(yīng)用”項目榮獲中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)獎一等獎。
在紡織建筑、能源環(huán)保和航空航天等諸多領(lǐng)域，纖維材料扮演著關(guān)鍵角色。其中，輻射特性作為纖維材料的重要屬性之一，直接決定了其光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，并顯著影響其應(yīng)用性能與使用壽命。然而當(dāng)前纖維的結(jié)構(gòu)組分對輻射特性的影響規(guī)律并不明晰，輻射調(diào)控手段與纖維構(gòu)筑方法有限，制約了纖維材料的功能化及其發(fā)展和應(yīng)用。該項目從纖維材料分級結(jié)構(gòu)對寬光譜（太陽光和紅外）輻射的精準調(diào)控規(guī)律研究出發(fā)，建立了基于分級結(jié)構(gòu)的纖維集合體輻射調(diào)控科學(xué)機制；將先進紡織加工技術(shù)與寬光譜輻射調(diào)控的多尺度纖維分級結(jié)構(gòu)微納加工技術(shù)耦合，提出并實現(xiàn)了寬光譜輻射精準調(diào)控纖維集合體的制備策略；圍繞強太陽光輻射環(huán)境下多場景應(yīng)用需求，率先將輻射制冷纖維集合體用于冰川保護和“織物版”月面國旗，引領(lǐng)并推動了纖維材料的多場景應(yīng)用，在Nature、Science系列期刊等發(fā)表論文100余篇。
建立了纖維材料的光譜輻射調(diào)控機制
項目通過剖析不同纖維材料的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)特性，深入分析了纖維及其集合體中組織結(jié)構(gòu)對輻射性質(zhì)的影響規(guī)律，明確了在多層纖維集合體中的光的透射、反射和吸收行為，建立了適用于不同織物組織結(jié)構(gòu)的輻射強度衰減理論模型。通過揭示纖維材料和織物內(nèi)部的溫度分布規(guī)律和紅外利用效率，實現(xiàn)了不同織物對紅外利用率固有屬性的定量評價，從而系統(tǒng)地闡明了輻射對紡織纖維和織物中的溫度影響機制。發(fā)現(xiàn)了纖維材料分級結(jié)構(gòu)與材料組成對寬波段光的吸收與反射的影響規(guī)律，提出了太陽光和紅外波段的輻射精準調(diào)控理論模型，闡明了基于分級結(jié)構(gòu)的纖維輻射控溫科學(xué)機制，為寬波段選擇性輻射制冷纖維的設(shè)計提供了新思路。
設(shè)計并構(gòu)筑了寬光譜輻射調(diào)控的纖維集合體
項目提出了面向天然纖維的光學(xué)性能強化設(shè)計與面向合成纖維的寬光譜精準設(shè)計�；谔烊恍Q絲纖維的光學(xué)特性與內(nèi)部分層微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)機理，項目提出表面納米化的光譜調(diào)控增強策略，以實現(xiàn)整體太陽光波段高反射率及抗紫外性能，實現(xiàn)了太陽光下的亞環(huán)境溫度（低于環(huán)境溫度~3.5 °C）。在此基礎(chǔ)上，提出了一種通過分子鍵合設(shè)計和可伸縮耦合試劑輔助的浸涂加工方法，結(jié)合納米化與絲網(wǎng)印花這一傳統(tǒng)紡織加工工藝，為納米化絲綢面料的批量制備提供了可行性方案，率先實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的日間輻射制冷絲綢，從而為基于天然纖維的輻射制冷材料的開發(fā)與應(yīng)用提供了新思路�；谖⒓{米-宏觀的跨尺度設(shè)計提出了一種可規(guī)�；苽涞倪x擇性發(fā)射輻射調(diào)控纖維集合體，通過分子鍵與微納結(jié)構(gòu)的協(xié)同分級設(shè)計，實現(xiàn)太陽光波段的反射效率（96.3%）和紅外波段（8-13微米）的選擇性發(fā)射率（78%）。項目由此開發(fā)一種改進的卷對卷人工纖維紡絲方法，實現(xiàn)了寬光譜精準調(diào)控纖維集合體的全鏈條體系構(gòu)建，為輻射控溫合成纖維集合體的大規(guī)模化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。
發(fā)展了輻射控溫纖維集合體的多場景應(yīng)用
項目發(fā)現(xiàn)了多場景下多組分纖維材料在強太陽光輻照下的能流調(diào)控及溫度平衡機制。從纖維材料表面結(jié)構(gòu)和本體的色彩構(gòu)建及其光學(xué)行為入手，基于纖維材料的寬光譜輻射精準調(diào)控策略，利用絲素微納米粒子與顏料粒子的協(xié)同作用，開發(fā)了能耐受強劑量紫外輻照以及高低溫循環(huán)的月面國旗，于2020年12月4日在月面成功展示，為中國探測器在月球打上了“中國標識”。針對全球變暖的大背景下，冰川正在以肉眼可見的速度消融。項目設(shè)計構(gòu)筑了輻射制冷纖維織物，給冰川鋪上了新質(zhì)“護甲”。通過減少外界能量攝入、增強表面反照率、增強自身中紅外窗口的能量發(fā)射，來實現(xiàn)減緩冰川消融，具有零能耗降溫，具有輕薄、疏水、不易受污染、可重復(fù)利用等優(yōu)勢。項目首次將纖維基輻射制冷新材料用于四川阿壩達古冰川，開展大規(guī)模冰川保護實地實驗，有效減緩了當(dāng)?shù)乇ǖ南谒俣�，受到冰川管理局的高度認可。
“目前，該項目背景下設(shè)計的輻射制冷纖維制品在保雪保冰領(lǐng)域和月面國旗已得到成功驗證，下一步，我們的目標將推廣至服裝、戶外織物等領(lǐng)域”。朱嘉對未來充滿信心。
來源：中國紡織科技 |
