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  近日，東華大學(xué)王宏志教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)吳波教授合作在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了一項(xiàng)題為“Multifunctional Carbon Nanotube Based Thermoelectric Yarn Enabling Fire Warning and Waste Heat Harvesting”的研究成果。該研究通過化學(xué)修飾與機(jī)械加捻相結(jié)合的工藝，開發(fā)出一種具有優(yōu)異熱電性能、機(jī)械柔韌性和環(huán)境穩(wěn)定性的碳納米管基熱電紗線，為智能可穿戴系統(tǒng)提供了全新的解決方案。

  研究團(tuán)隊(duì)成功制備出一種基于碳納米管薄膜的高性能熱電紗線，其最大功率因子（PF_max）高達(dá)953 μW m^-1 K^-2，表現(xiàn)出卓越的柔韌性和可織造性。該紗線可直接織入消防服中，在高溫環(huán)境（≥500 K）下仍保持穩(wěn)定工作，并具備極快的響應(yīng)特性（閾值電壓2 mV，響應(yīng)時(shí)間≤0.5 s）。此外，結(jié)合輻射冷卻技術(shù)用于人體廢熱回收時(shí)，其功率密度可達(dá)0.98 μW cm^-2，性能超越大多數(shù)現(xiàn)有纖維基熱電設(shè)備，接近無機(jī)塊體柔性設(shè)備的先進(jìn)水平。

  隨著電氣設(shè)備廣泛使用和建筑裝飾材料易燃性增加，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)顯著上升。極端高溫氣候進(jìn)一步加劇了電路過載和熱失控等電氣火災(zāi)誘因的威脅。消防員在火場(chǎng)中需實(shí)時(shí)感知溫度變化以保障救援效率與自身安全。熱電技術(shù)（TE）利用火場(chǎng)與人體之間的自然溫度梯度，為溫度傳感提供了理想途徑。然而，傳統(tǒng)剛性傳感器會(huì)影響防護(hù)服的重量和機(jī)動(dòng)性，而薄膜器件雖具備良好電學(xué)性能，卻存在集成密度低和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題。纖維基熱電設(shè)備（TED）憑借其一維線性結(jié)構(gòu)，可通過成熟紡織技術(shù)嵌入織物中，在保持紡織品透氣性與舒適度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與曲面的動(dòng)態(tài)貼合。然而，現(xiàn)有纖維制備技術(shù)如熔融熱拉、濕法紡絲等仍面臨工藝復(fù)雜性和服役穩(wěn)定性不足的挑戰(zhàn)。

技術(shù)創(chuàng)新與制備工藝

  本研究提出了一種基于化學(xué)修飾與機(jī)械加捻的兩步法制備工藝：

  首先將原始CNT薄膜浸入FeCl?溶液中進(jìn)行初步摻雜，隨后通過S型折疊形成多層結(jié)構(gòu)，并在特定區(qū)域通過超聲處理實(shí)現(xiàn)精確脫摻雜，形成交替的p型與未摻雜區(qū)域。機(jī)械加捻過程不僅顯著提高了紗線的拉伸強(qiáng)度（提升近4倍），還形成了保護(hù)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，屏蔽內(nèi)部功能層免受機(jī)械磨損和侵蝕。

  通過該工藝制備的紗線具備以下特性：

• Seebeck系數(shù)提升至>50 μV K^-1；

• 電導(dǎo)率顯著增強(qiáng)，功率因子提升3–5倍；

• 機(jī)械強(qiáng)度大幅提高，循環(huán)彎曲測(cè)試中電阻變化極��；

• 環(huán)境耐受性優(yōu)異，適用于極端環(huán)境。

應(yīng)用性能展示

1. 自供電火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

  將該熱電紗線織入消防服面料中，利用火場(chǎng)與皮膚之間的溫度梯度產(chǎn)生電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無線高溫預(yù)警：

• 在酒精燈火焰測(cè)試中，單線圈單元與四線圈串聯(lián)設(shè)備均表現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓輸出與線性溫度響應(yīng)；

• 響應(yīng)時(shí)間低于0.5 s（閾值電壓2 mV），優(yōu)于多數(shù)現(xiàn)有TE預(yù)警設(shè)備；

• 電壓幅度與熱源距離密切相關(guān)，為消防員提供空間感知信息。

2. 人體廢熱回收

  結(jié)合輻射冷卻功能層（PAN/SiO₂納米纖維膜）與鋁質(zhì)絕緣層，構(gòu)建可用于人體廢熱回收的TED：

• 輻射冷卻層在紫外波段反射率達(dá)85.12%，中紅外發(fā)射率達(dá)90.45%，有效抑制冷端溫升；

• 鋁質(zhì)絕緣層提升紅外反射率，使熱端溫度提高0.5–1.2°C；

• 最終實(shí)現(xiàn)≈3°C的穩(wěn)定溫差，輸出功率密度達(dá)0.98 μW cm^-2，性能接近先進(jìn)無機(jī)塊體柔性系統(tǒng)。

  
  

總結(jié)與展望

  該研究通過簡(jiǎn)單的化學(xué)-機(jī)械協(xié)同工藝，成功制備出兼具高熱電性能、機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境穩(wěn)定性的CNT熱電紗線。其在火災(zāi)預(yù)警與人體廢熱回收方面的卓越表現(xiàn)，為智能紡織品在極端環(huán)境防護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)分布式供電和智能醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了突破性解決方案。 該技術(shù)不僅具備高織造密度和穩(wěn)定輸出特性，更通過 整體的紡織集成結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)外置設(shè)備的不適感，具備顯著的實(shí)用化前景。

論文信息

標(biāo)題：Multifunctional Carbon Nanotube Based Thermoelectric Yarn Enabling Fire Warning and Waste Heat Harvesting

作者：Xinxing Zhou, Bo Wu, Zongfu Cai, Kerui Li, Chengyi Hou, Qinghong Zhang, Yaogang Li, Hongzhi Wang

期刊：Advanced Functional Materials

DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202522298