随着极端高温天气和昼夜温差变化日益显著，开发兼具高效热调控能力与长期服役稳定性的功能纺织材料，对于实现低能耗个人热管理具有重要意义。被动辐射制冷（PRC）能够通过反射太阳辐射并向外界发射中红外热辐射，实现持续散热；相变材料（PCMs）则通过可逆吸收和释放潜热，缓冲外界温度的快速变化。二者的结合为构建适应动态温度环境的个人热管理材料提供了新途径。然而，在纤维体系中，相变缓冲与辐射制冷之间存在内在的结构矛盾。相变过程需要分子链运动与晶区重排，而高效辐射制冷则依赖稳定的微纳纤维及多孔光学散射网络。反复相变产生的热机械应力容易引发纤维变形、粘连和孔隙塌陷，导致太阳光反射能力不可逆下降。因此，如何在保持可逆相变储热功能的同时，抑制纤维结构在反复冷热冲击下的退化，是实现两种机制持久协同的关键挑战。
针对上述问题，天津大学封伟教授团队受贻贝足丝梯度应力传递机制启发，提出了一种仿生同源梯度界面设计策略（Homologous Gradient Interphase），利用同轴静电纺丝与紫外交联技术，构筑了具有“芯层—梯度界面—壳层”结构的聚乙二醇基聚氨酯相变纤维膜（Ho-GIFM）。该结构利用同源聚合物链的界面互扩散与缠结，实现相变应变的渐进传递，同时通过交联壳层维持纤维形貌与多孔结构，兼顾相变潜热存储和光学性能稳定性。
2026年11月3日，相关成果以“Bioinspired Homologous Gradient Interphase Sustains Phase-Change Buffering and Radiative Cooling Under Thermal Shocks”为题发表于Advanced Functional Materials。
仿生贻贝足丝：构筑同源梯度界面相变纤维
贻贝足丝能够通过内部连续变化的力学结构，将外部载荷逐渐传递至不同区域，从而避免应力集中造成的局部破坏。受此启发，研究团队将梯度应力传递机制引入相变纤维设计，以聚乙二醇基聚氨酯（PEG8K-PU）作为相变芯层，以具有光交联能力的PEG2K-PU作为形状稳定壳层。
在同轴静电纺丝过程中，具有相似化学骨架的两种聚氨酯分子链在界面处发生互扩散与缠结，并通过原位紫外交联形成稳定的梯度过渡区域。该结构能够缓解芯壳之间的热机械性能差异，将相变引起的局部变形分散至更宽的界面区域，同时限制分子链的大尺度重排，维持纤维的整体形貌与孔隙网络。
图1. Ho-GIFM的仿生设计与机制示意图
同源梯度界面的形成及热机械匹配机制
研究团队结合分子动力学模拟、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、扫描透射电子显微镜能谱分析（STEM-EDS）以及原子力显微镜（AFM），系统研究了纤维内部的组分分布与纳米力学特征。结果表明，两种同源聚氨酯在界面处表现出连续的组分过渡，纤维径向模量亦呈现渐变分布。这一连续的组分与力学过渡有助于减弱传统异质界面中的局部应力集中。热机械分析进一步表明，其储能模量与损耗因子随温度变化更加平缓，说明梯度界面能够在保持必要结构约束的同时，实现更渐进的热机械响应。
图2. Ho-GIFM的微观形貌、分子互扩散模拟、组分与模量梯度表征及热机械性能分析
同源限域调控结晶：实现稳定的固–固相变储热
除改善界面力学匹配外，同源梯度界面与光交联壳层还能够协同调节PEG链段的结晶行为。小角X射线散射（SAXS）和原位X射线衍射（XRD）结果表明，Ho-GIFM中的PEG晶区受到有效限域，其长周期减小，长程结晶有序性降低，但仍保留可逆结晶与熔融能力。
差示扫描量热分析（DSC）显示，Ho-GIFM具有30.2–51.5 oC的宽相变温度区间和60.2 J g-1的熔融焓。经过200次连续DSC热循环后，相变热力学性能基本保持稳定。此外，在80 oC持续加热条件下，Ho-GIFM仍能维持原有纤维形貌和白色多孔结构。得益于稳定的固–固相变过程，Ho-GIFM在升温和降温过程中均表现出明显的温度缓冲效应。
图3. 同源限域对PEG结晶行为、固–固相变储热及纤维形状稳定性的调控。
抵抗反复冷热冲击：保持纤维结构与力学完整性
通过有限元模拟与实验相结合，分析了不同界面结构中的热机械应力分布。结果显示，Ho-GIFM能够将相变诱导应力分散至更宽的径向区域，从而降低局部结构失效风险。交替冷热冲击后，Ho-GIFM仍保持较为完整的交织纤维网络。
与此同时，Ho-GIFM展现出良好的宽温域机械适应性。在液氮（-196 oC）浸泡后仍可弯折而不发生断裂；在50%拉伸应变下经过500次循环，其应力保持率仍高于92%。这些结果证明，同源梯度界面不仅能够缓解相变应力，还能有效维持反复温度和机械扰动下的纤维结构完整性。
图4. 不同界面结构的热应力模拟、冷热冲击后的形貌稳定性及宽温域力学性能。
相变与辐射制冷协同：实现持久稳定的光热管理
Ho-GIFM的初始太阳光加权平均反射率达到94.77%，8–13 μm大气窗口内的加权平均发射率达到94.27%。更重要的是，这种优异的光学性能能够在反复相变过程中保持稳定。经过100次冷热冲击后，Ho-GIFM的太阳光反射率的保持率可达99.0%；中红外发射率的保持率可达99.9%。Ho-GIFM的理论日间净辐射制冷功率达到101.88 W m-2；经过100次冷热冲击后，仍保持91.72 W m-2。
由此，Ho-GIFM能够通过辐射制冷实现持续散热，同时利用相变潜热吸收缓冲短时热负荷，克服传统相变–辐射制冷复合纤维在长期热循环中容易出现的光学性能衰减问题。
图5. Ho-GIFM的光谱调控机制、太阳光反射率与中红外发射率及冷热冲击前后的辐射制冷性能。
户外热管理验证：仿皮肤平均降温14.9 oC
研究团队在天津开展了连续户外测试。Ho-GIFM相对于裸露仿皮肤实现平均14.85 oC、最高17.65 oC的降温效果。与不含相变芯层的单组分壳层纤维膜相比，Ho-GIFM的平均仿皮肤温度进一步降低2.14 oC，体现出相变潜热缓冲与辐射制冷相结合的热调控优势。
在进一步的连续户外测试及模拟人体持续产热实验中，Ho-GIFM仍保持良好的温度调节效果。户外前臂及服装集成演示表明，该纤维膜能够降低覆盖区域的表观红外温度，展现出面向可穿戴个人热管理的应用潜力。
图6. Ho-GIFM的户外仿皮肤热管理、服装集成演示及区域辐射制冷潜力评估。
总结与展望
本研究从贻贝足丝的梯度应力传递机制获得启发，通过同源聚合物界面工程，在单一纤维体系中实现了相变分子运动与多孔结构稳定性之间的有效平衡。所构筑的Ho-GIFM不仅具有良好的潜热缓冲能力和辐射制冷性能，还能够在反复冷热冲击下维持纤维形貌与光学结构的稳定。
这一工作表明，多功能相变纤维的关键不仅在于初始储热与制冷性能的提升，更在于通过界面结构设计抑制动态分子过程引起的不可逆宏观结构退化。同源梯度界面策略为开发耐久型相变–辐射制冷纺织材料及其他动态功能纤维提供了新的设计思路。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.79458
