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  火災作為全球性重大公共安全威脅，每年導致大量人員傷亡與嚴重經濟損失。當前消防防護裝備普遍依賴被動阻燃與隔熱機制，難以實現火災風險的實時感知與早期預警，在復雜火場環(huán)境中存在顯著局限。MXene等二維材料雖在高溫傳感領域展現出潛力，但其層間作用力弱、高溫易氧化等問題制約了其實際應用。

  近期，西安工程大學樊威教授團隊基于仿生學原理，成功研制出一種模仿向日葵莖稈結構的同軸MXene纖維（CoaxMXeneFib），在材料結構設計與環(huán)境耐久性方面取得重要進展，為智能主動防護系統(tǒng)的發(fā)展提供了新材料基礎。

  2026年2月11日，該工作以“A Bioinspired Coaxial Semiconductor Fiber for Durable Fire Warning”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。第一作者為西安工程大學碩士研究生楊金，共同第一作者為四川大學王芳副研究員和西安工程大學張勇副教授，通訊作者為西安工程大學功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室主任樊威教授。

圖 1：受向日葵莖稈啟發(fā)的CoaxMXeneFib核?鞘結構設計

  向日葵莖稈具有獨特的“剛柔并濟”多級構造：內部柔軟多孔的髓芯負責儲能與物質傳輸，外部致密堅硬的皮層提供力學支撐與保護，二者通過動態(tài)界面實現高效協(xié)同。研究團隊借鑒這一自然結構，采用同軸濕法紡絲技術，構建了以PVA/MXene復合材料為芯層、模仿髓芯蜂窩結構的溫度傳感單元，并在外層引入功能性阻燃劑作為保護鞘層，兼具力學增強與抗氧化功能。芯?鞘界面通過硼酸交聯形成動態(tài)共價網絡，顯著提升了整體結構穩(wěn)定性。與現有高溫預警纖維相比，CoaxMXeneFib在拉伸強度、預警響應循環(huán)次數及持續(xù)工作時間等性能上均有顯著提升，體現了仿生設計在多功能纖維材料中的有效性。

圖 2：PVA-MTHPS-PCD與CoaxMXeneFib的化學結構表征與界面增強機制

  微觀分析表明，PVA與MXene之間存在強氫鍵作用，同時硼酸與PVA發(fā)生酯化交聯，形成“氫鍵?共價鍵”雙重網絡界面。XPS光譜中硼元素特征峰的出現及其結合能偏移，證實了硼酸酯鍵的成功構筑；O 1s 和 C 1s 譜圖進一步揭示了界面化學鍵合與氫鍵協(xié)同效應。宏觀力學測試顯示，交聯后纖維界面結合牢固，摩擦行為穩(wěn)定，展現出良好的結構完整性。這一多尺度化學設計為纖維在極端環(huán)境下長期穩(wěn)定工作提供了基礎。

圖 3：CoaxMXeneFib的阻燃與抑煙性能分析

  該纖維極限氧指數達44.6%，垂直燃燒60秒后仍保持結構完整，損毀長度僅0.5cm且快速自熄，高溫下分解延遲，殘?zhí)柯蕿?/span>39.1wt%，顯著優(yōu)于純PVA纖維。其峰值熱釋放速率、總熱釋放量及總煙釋放量分別降低18.1%、35.2%與6%，火災危險性顯著下降。燃燒后形成致密連續(xù)膨脹炭層，可有效阻隔熱與氧；XPS與Raman分析表明，MXene催化聚合物基體碳化，提升了炭層石墨化程度。該體系通過凝聚相催化成炭與氣相自由基捕獲的協(xié)同機制，實現高效阻燃。

圖 4：CoaxMXeneFib在復雜環(huán)境下的火災預警性能與耐久性評估

  在390℃高溫下，纖維電阻在1.97秒內由32.5kΩ急劇降至60Ω，觸發(fā)報警并持續(xù)105秒；直面火焰時響應時間為1.89秒。經15000次摩擦、1000次彎曲及30次洗滌后，其預警響應仍穩(wěn)定在2秒左右，水接觸角達106.5°，表現出良好的機械耐久性與疏水性。在酸、堿、溶劑及紫外?高濕等嚴苛環(huán)境下，纖維結構完整，性能未見明顯衰減，并可持續(xù)承受12次以上火焰循環(huán)測試，顯示出突出的環(huán)境穩(wěn)定性與循環(huán)可靠性。

圖 5：CoaxMXeneFib對熱?電性能的穩(wěn)定作用及預警機理

  火焰作用后，CoaxMXeneFib芯層形成魚鱗狀結構并轉化為互連導電網絡，而單一MXene纖維則嚴重氧化，證實鞘層可有效隔絕氧氣與水分。霍爾效應測試表明，燃燒后纖維呈現n型半導體特性，載流子濃度與遷移率均高于對比樣品。變溫霍爾分析進一步顯示，在200–400℃區(qū)間內，C/N?TiO?網絡載流子濃度顯著上升，晶格散射受摻雜效應抑制，載流子遷移加速，從而迅速建立導電通路、觸發(fā)預警。在80℃環(huán)境中放置10天，其電阻率僅增長16.65%，高溫氧化穩(wěn)定性顯著優(yōu)于普通MXene纖維。憑借卓越的耐磨、耐洗和耐高溫氧化性能，CoaxMXeneFib 可縫制于消防服，還能與微控制器及物聯網通信結合，構建遠程無線火災報警平臺，2 秒內觸發(fā)報警并同步至終端設備，為智能消防系統(tǒng)提供核心材料支撐。

  基于其優(yōu)異的耐磨、耐洗、耐高溫氧化及持續(xù)預警能力，CoaxMXeneFib可集成于消防服，并結合微控制器與物聯網通信模塊，構建實時無線火災報警系統(tǒng)，實現2秒內火情識別與信息同步推送，為發(fā)展智能化、主動式消防防護系統(tǒng)提供了可行的材料解決方案。

  源自向日葵莖靈感的 CoaxMXeneFib，通過結構仿生、界面強化和多元協(xié)同機制，集超快預警、高效阻燃、機械堅韌和環(huán)境耐久于一身，成功突破了傳統(tǒng)材料的諸多局限。未來，它將在智能消防服、火災預警系統(tǒng)等領域發(fā)揮重要作用，為保障消防安全注入全新動力，推動消防防護從被動防御向主動預警跨越。

  該工作得到國家自然科學基金、陜西省杰出青年科學基金、陜西省自然科學基金與陜西省高校青年創(chuàng)新團隊基金的支持。

  文章鏈接：http://doi.org/10.1002/adfm.202530615