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  消防員在執行滅火救援任務時，需置身于極端復雜的火場環境之中。他們不僅需直面灼人的高溫輻射，還時刻面臨有毒有害氣體泄漏、建筑坍塌等二次事故的傷害。目前，消防員個人的安全防護主要依賴于消防服裝及個人實戰經驗，而在對救援環境關鍵信息的實時感知方面仍存在明顯不足。具體而言，現有防護系統缺乏對消防服裝自身高溫損傷的實時預警能力，也難以對火場中潛伏的易爆易燃及有毒氣體實現及時的精準感知與動態監測。因此，亟需推動紡織技術與先進傳感材料的深度融合，以拓展消防服裝的感知維度，從而全面提升其在復雜火場中的綜合防護性能。目前，將智能材料與現代紡織技術相結合，制備可集成溫度、有毒及易爆氣體等多參數精確感知的多模態智能傳感纖維，已成為提升消防員在極端火場中生存能力的重要研究方向。然而，將傳統剛性多模態傳感器直接集成至不規則服裝表面時，面臨材料模量高難以共形貼合、動態環境下信號易失真、以及難以滿足可穿戴設備對柔性形變的要求等痛點問題。因此，開發兼具多模態感知能力與動態適形特性的纖維基柔性傳感器，以增強消防服裝對外部危險環境的實時感知能力，突破現有“感知盲區”，已成為智能消防服裝領域亟待解決的關鍵挑戰。

  近期，武漢紡織大學于志財、何華玲團隊采用“同軸濕法紡絲組裝技術”，首次成功將溫度傳感、信號解耦和氨氣傳感三層功能集成于單根芳綸纖維中，制備出具備溫度與氨氣（NH?）雙模態精準感知能力的“超感官”智能纖維（DM-TSF）。通過數控刺繡技術，該纖維可嵌入消防服裝面料，賦予防護服裝“仿生神經”功能，顯著拓展其對高溫損傷與危險氣體的實時監測能力。得益于最外鞘層中MXene與MoS?所形成的肖特基異質結及其電子轉移調制效應，該傳感纖維對氨氣表現出優異的選擇性響應與靈敏度（3.14% ppm?1 @ 20 ppm）。此外，通過構建基于“塞貝克效應”的SWCNT p-n 交替型分段式熱電芯材，實現了高熱電轉換性能（p段8.44 μV/K，n段7.44 μV/K），并在50–500 °C寬溫域內具備快速響應的溫度傳感能力，高溫預警時間短于2秒。該雙模態傳感電子纖維兼具透氣性、機械韌性與低成本的內在屬性，信號輸出穩定且無串擾，可作為消防服裝的“數字神經末梢”，通過多維度數據融合為消防員在滅火救援過程中提供關鍵信息支持。此外，該技術還展現出在消防機器人、礦山救援、化工安全監測、環境感知及智能紡織等領域的廣泛應用與工業擴展潛力。相關研究成果以題為“Integrated Temperature-NH₃ Multiplex Sensing Fibers Enabled by Programmable Assembly of MXene@MoS₂ Heterojunction and p/n-type Thermoelectric Core for Firefighting Clothing”發表在學術期刊《Advanced Fiber Materials》上，武漢紡織大學紡織科學與工程學院碩士研究生周密為本文的第一作者，于志財副教授與何華玲副教授為本文共同通訊作者。

  該工作通過融合同軸濕法紡絲、冷凍干燥與摻雜修飾等技術，成功構建了具備“溫度傳感芯-信號解耦層-氣體傳感鞘”三重結構的雙模態傳感纖維DM-TSF，可同步實現溫度與氨氣感知功能。如圖1a所示，該纖維呈現清晰的三層同心圓結構：內核為交替排列的p型（SWCNT/TPU）和n型（PEI@SWCNT/TPU）熱電材料，用于溫度感知；中間層為芳綸納米纖維（ANFs）隔離層，起到信號解耦作用；外層為MXene@MoS?/ANF復合鞘層，專用于NH?傳感。該分層結構不僅實現了溫度與氣體信號在空間上的隔離與獨立檢測，還借助ANFs增強層間相容性與機械穩定性。值得關注的是，研究采用低溫超聲混合法在外層鞘中構建MXene@MoS?異質結，使MoS?納米片充分嵌入MXene基質中，形成高密度肖特基勢壘結（Schottky Barrier Junctions），顯著提升了材料對NH?的吸附能力和電子傳輸效率（圖1b-c）。此外，在濕法紡絲過程中，剪切力作用促使SWCNT、MXene@MoS?等導電組分沿纖維軸定向排列，進一步優化了導電通路與整體傳感性能。

圖1 基于芳綸納米纖維的溫度-NH₃雙模態傳感纖維DM-TSF可拓展制造過程

  測試結果證明，MoS?納米片均勻嵌入MXene基質中，兩者形成緊密接觸的異質結構，證實了肖特基結的成功組裝，界面處形成的肖特基勢壘對氨氣分子的電子交換極其敏感，同時對其他干擾氣體（如一氧化碳、乙醇、甲醛等）“視而不見”，表現出卓越的選擇性（圖2a-b）。EDS進一步驗證了C、N、Ti、Mo等元素在纖維中的均勻分布，說明功能材料在紡絲過程中具有良好的分散性與一致性（圖2c）。FTIR與XRD結果表明，ANF、TPU、SWCNT等組分之間主要通過氫鍵和π–π堆疊等非共價相互作用結合，未引入新的化學鍵，但功能基團的吸收峰發生微小位移，證實了分子間相互作用的存在（圖2e-f）。XPS揭示了MXene與MoS?之間存在電子轉移，Ti–O–Mo共價鍵的形成增強了異質結的結構穩定性，進一步優化了肖特基勢壘的高度與載流子傳輸行為。BET顯示p段與n段纖維的比表面積分別為80.601 m2/g和43.904 m2/g，平均孔徑約為20 nm，豐富的孔隙結構為氣體吸附與擴散提供了有利條件（圖2g-k）。

圖2 DM-TSF和肖特基異質結MXene@MoS?微觀結構表征

  圖3揭示了DM-TSF纖維在高溫環境下的熱穩定性及阻燃機制。結果表明，純熱電芯（TC）的LOI值僅為17%，而引入ANFs界面層和外鞘后，ATC和DM-TSF的LOI值分別提升至27%和35%。MCC測試顯示，DM-TSF的峰值熱釋放率（PHRR）顯著降低至57.35 W/g，總熱釋放（THR）也大幅下降，表明外鞘中的ANF與MXene@MoS?有效抑制了熱釋放。TGA曲線進一步證實，DM-TSF在270–450 °C范圍內的質量損失僅為28.40%，遠低于ATC的46.31%，說明其具有更優異的熱穩定性（圖3a-h)。阻燃機制分析表明，ANFs、MoS?和MXene在氣相中通過釋放非可燃氣體（如NO?、CO?、SO?）稀釋氧氣與可燃揮發分，在凝聚相中則通過形成致密碳化層和物理屏障效應阻止火焰蔓延（圖3i)。這些耐熱性能使DM-TSF使其美契合消防服的高溫應用場景需求，提升了傳感纖維的預警可靠性。

圖3 DM-TSF的熱解行為及阻燃機制

  圖4 呈現了DM-TSF纖維的溫度傳感機制及輸出電壓與溫差之間的優異線性關系。基于Seebeck效應，p型與n型熱電芯在溫度梯度下分別產生正負電壓信號，其Seebeck系數分別為8.44 μV/K和-7.44 μV/K，表現出優異的熱電轉換效率。通過p-n段交替排列，輸出電壓隨段數增加呈線性增長，在225 K溫差下，15對p-n段的輸出電壓可達10.57 mV，符合傳統熱電材料的理論行為（圖4f）。循環彎曲和扭曲測試表明，TPU基熱電芯具有良好的機械穩定性，電阻信號波動分別小于10.7% 和3.1%。高溫預警測試系統顯示，p、 n 串聯一體式熱電芯材結構的優化設計，使其DM-TSF在遭遇火焰時（約500 °C），纖維內核迅速產生毫伏級電壓，一旦電壓超過設定閾值（對應約300°C溫差）下僅需2秒即可觸發預警系統，提醒消防員衣物表面溫度異常，需立即撤離。

圖4 DM-TSF的熱電性能與溫度傳感特性

  圖5系統評估了DM-TSF纖維對氨氣響應的靈敏性及選擇性。通過調控及優化MXene與MoS?質量比（7:3），DM-TSF傳感器對100 ppm NH?的響應值高達-96.99%，響應/恢復時間分別為167 s和305 s。與純MXene/ANF纖維相比，引入MoS?后響應值提升超過兩倍，且基線電阻保持穩定，說明MoS?的引入顯著增強了肖特基結的調制能力與氣體響應行為 （圖5a-f)。DFT計算表明，MXene的功函數（3.201 eV）低于MoS?（5.770 eV），導致電子從MXene向MoS?轉移，形成內置電場。NH?分子吸附后，其電子注入行為進一步調制肖特基勢壘高度，引起接觸電阻變化，從而實現高靈敏度響應 (圖5g)。此外，DM-TSF對NH?的選擇性遠高于CO、CH?O等干擾氣體（圖5f），且具備良好的循環穩定性與長期可靠性，適用于復雜火場環境下易爆氣體氨氣的監測, 當電阻低于安全閾值，系統會在短時間內觸發警報系統，警告現場有爆炸或中毒風險，極大提升消防員在復雜火場作業的安全性。

圖5 DM-TSF對氨氣監測的靈敏性與選擇性

  圖6展示了DM-TSF傳感纖維在消防服裝中的集成與應用，實現了對高溫和氨氣的主動感知與實時預警。該便攜式無線報警系統能夠同時監測溫度與NH?濃度，其DM-TSF纖維如同普通紗線般被編織于消防服的關鍵部位，并與自主研發的微型信號處理電路板（PCB）相連接。該系統集成了電壓/電阻檢測、信號處理、閾值設定、藍牙傳輸及聲光報警等多個模塊，具備實時無線數據傳輸與遠程報警功能。實驗結果表明，當溫度超過設定閾值（對應輸出電壓 ≥ 5 mV，約300?°C）時，系統可在2秒內發出高溫警報；當環境中NH?濃度超過檢測下限導致電阻值低于20 MΩ時，系統能在28秒內觸發獨立的聲光報警。同時，報警信號可通過藍牙傳輸至消防員終端及后方指揮中心，及時提示防護服熱降解風險或環境中有害氣體泄漏，從而顯著增強消防服裝在復雜火場條件下的主動預警與防護能力（圖6a–c）。此外，DM-TSF纖維具備超低密度（0.0783 g/cm3）、高柔性和優良阻燃性能，可無縫集成于消防服外層，既不影響服裝的穿著舒適性，也不限制運動自由度。

圖6 DM-TSF傳感纖維在消防服裝中的潛在應用

  綜上所述，本研究提出的溫度與NH?雙模態感知智能纖維制備技術，能夠響應多重外部刺激，可為消防服裝構建“數字神經末梢”，有效突破傳統防護服在復雜火場環境中的感知局限。該傳感纖維具備信號穩定、無串擾以及優良的適形性等優勢，可為消防員在滅火救援過程中提供關鍵信息支持，顯著提升作業安全水平。未來，該技術不僅有望推動智能防護服裝的進一步發展，也為多危險要素同步監測提供了可擴展的技術平臺，在化工、礦山等高風險行業的職業安全防護領域具有廣闊的應用前景。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00599-6