消防员在执行灭火救援任务时，需置身于极端复杂的火场环境之中。他们不仅需直面灼人的高温辐射，还时刻面临有毒有害气体泄漏、建筑坍塌等二次事故的伤害。目前，消防员个人的安全防护主要依赖于消防服装及个人实战经验，而在对救援环境关键信息的实时感知方面仍存在明显不足。具体而言，现有防护系统缺乏对消防服装自身高温损伤的实时预警能力，也难以对火场中潜伏的易爆易燃及有毒气体实现及时的精准感知与动态监测。因此，亟需推动纺织技术与先进传感材料的深度融合，以拓展消防服装的感知维度，从而全面提升其在复杂火场中的综合防护性能。目前，将智能材料与现代纺织技术相结合，制备可集成温度、有毒及易爆气体等多参数精确感知的多模态智能传感纤维，已成为提升消防员在极端火场中生存能力的重要研究方向。然而，将传统刚性多模态传感器直接集成至不规则服装表面时，面临材料模量高难以共形贴合、动态环境下信号易失真、以及难以满足可穿戴设备对柔性形变的要求等痛点问题。因此，开发兼具多模态感知能力与动态适形特性的纤维基柔性传感器，以增强消防服装对外部危险环境的实时感知能力，突破现有“感知盲区”，已成为智能消防服装领域亟待解决的关键挑战。

  近期，武汉纺织大学于志财、何华玲团队采用“同轴湿法纺丝组装技术”，首次成功将温度传感、信号解耦和氨气传感三层功能集成于单根芳纶纤维中，制备出具备温度与氨气（NH?）双模态精准感知能力的“超感官”智能纤维（DM-TSF）。通过数控刺绣技术，该纤维可嵌入消防服装面料，赋予防护服装“仿生神经”功能，显著拓展其对高温损伤与危险气体的实时监测能力。得益于最外鞘层中MXene与MoS?所形成的肖特基异质结及其电子转移调制效应，该传感纤维对氨气表现出优异的选择性响应与灵敏度（3.14% ppm?1 @ 20 ppm）。此外，通过构建基于“塞贝克效应”的SWCNT p-n 交替型分段式热电芯材，实现了高热电转换性能（p段8.44 μV/K，n段7.44 μV/K），并在50–500 °C宽温域内具备快速响应的温度传感能力，高温预警时间短于2秒。该双模态传感电子纤维兼具透气性、机械韧性与低成本的内在属性，信号输出稳定且无串扰，可作为消防服装的“数字神经末梢”，通过多维度数据融合为消防员在灭火救援过程中提供关键信息支持。此外，该技术还展现出在消防机器人、矿山救援、化工安全监测、环境感知及智能纺织等领域的广泛应用与工业扩展潜力。相关研究成果以题为“Integrated Temperature-NH₃ Multiplex Sensing Fibers Enabled by Programmable Assembly of MXene@MoS₂ Heterojunction and p/n-type Thermoelectric Core for Firefighting Clothing”发表在学术期刊《Advanced Fiber Materials》上，武汉纺织大学纺织科学与工程学院硕士研究生周密为本文的第一作者，于志财副教授与何华玲副教授为本文共同通讯作者。

  该工作通过融合同轴湿法纺丝、冷冻干燥与掺杂修饰等技术，成功构建了具备“温度传感芯-信号解耦层-气体传感鞘”三重结构的双模态传感纤维DM-TSF，可同步实现温度与氨气感知功能。如图1a所示，该纤维呈现清晰的三层同心圆结构：内核为交替排列的p型（SWCNT/TPU）和n型（PEI@SWCNT/TPU）热电材料，用于温度感知；中间层为芳纶纳米纤维（ANFs）隔离层，起到信号解耦作用；外层为MXene@MoS?/ANF复合鞘层，专用于NH?传感。该分层结构不仅实现了温度与气体信号在空间上的隔离与独立检测，还借助ANFs增强层间相容性与机械稳定性。值得关注的是，研究采用低温超声混合法在外层鞘中构建MXene@MoS?异质结，使MoS?纳米片充分嵌入MXene基质中，形成高密度肖特基势垒结（Schottky Barrier Junctions），显著提升了材料对NH?的吸附能力和电子传输效率（图1b-c）。此外，在湿法纺丝过程中，剪切力作用促使SWCNT、MXene@MoS?等导电组分沿纤维轴定向排列，进一步优化了导电通路与整体传感性能。

图1 基于芳纶纳米纤维的温度-NH₃双模态传感纤维DM-TSF可拓展制造过程

  测试结果证明，MoS?纳米片均匀嵌入MXene基质中，两者形成紧密接触的异质结构，证实了肖特基结的成功组装，界面处形成的肖特基势垒对氨气分子的电子交换极其敏感，同时对其他干扰气体（如一氧化碳、乙醇、甲醛等）“视而不见”，表现出卓越的选择性（图2a-b）。EDS进一步验证了C、N、Ti、Mo等元素在纤维中的均匀分布，说明功能材料在纺丝过程中具有良好的分散性与一致性（图2c）。FTIR与XRD结果表明，ANF、TPU、SWCNT等组分之间主要通过氢键和π–π堆叠等非共价相互作用结合，未引入新的化学键，但功能基团的吸收峰发生微小位移，证实了分子间相互作用的存在（图2e-f）。XPS揭示了MXene与MoS?之间存在电子转移，Ti–O–Mo共价键的形成增强了异质结的结构稳定性，进一步优化了肖特基势垒的高度与载流子传输行为。BET显示p段与n段纤维的比表面积分别为80.601 m2/g和43.904 m2/g，平均孔径约为20 nm，丰富的孔隙结构为气体吸附与扩散提供了有利条件（图2g-k）。

图2 DM-TSF和肖特基异质结MXene@MoS?微观结构表征

  图3揭示了DM-TSF纤维在高温环境下的热稳定性及阻燃机制。结果表明，纯热电芯（TC）的LOI值仅为17%，而引入ANFs界面层和外鞘后，ATC和DM-TSF的LOI值分别提升至27%和35%。MCC测试显示，DM-TSF的峰值热释放率（PHRR）显著降低至57.35 W/g，总热释放（THR）也大幅下降，表明外鞘中的ANF与MXene@MoS?有效抑制了热释放。TGA曲线进一步证实，DM-TSF在270–450 °C范围内的质量损失仅为28.40%，远低于ATC的46.31%，说明其具有更优异的热稳定性（图3a-h)。阻燃机制分析表明，ANFs、MoS?和MXene在气相中通过释放非可燃气体（如NO?、CO?、SO?）稀释氧气与可燃挥发分，在凝聚相中则通过形成致密碳化层和物理屏障效应阻止火焰蔓延（图3i)。这些耐热性能使DM-TSF使其美契合消防服的高温应用场景需求，提升了传感纤维的预警可靠性。

图3 DM-TSF的热解行为及阻燃机制

  图4 呈现了DM-TSF纤维的温度传感机制及输出电压与温差之间的优异线性关系。基于Seebeck效应，p型与n型热电芯在温度梯度下分别产生正负电压信号，其Seebeck系数分别为8.44 μV/K和-7.44 μV/K，表现出优异的热电转换效率。通过p-n段交替排列，输出电压随段数增加呈线性增长，在225 K温差下，15对p-n段的输出电压可达10.57 mV，符合传统热电材料的理论行为（图4f）。循环弯曲和扭曲测试表明，TPU基热电芯具有良好的机械稳定性，电阻信号波动分别小于10.7% 和3.1%。高温预警测试系统显示，p、 n 串联一体式热电芯材结构的优化设计，使其DM-TSF在遭遇火焰时（约500 °C），纤维内核迅速产生毫伏级电压，一旦电压超过设定阈值（对应约300°C温差）下仅需2秒即可触发预警系统，提醒消防员衣物表面温度异常，需立即撤离。

图4 DM-TSF的热电性能与温度传感特性

  图5系统评估了DM-TSF纤维对氨气响应的灵敏性及选择性。通过调控及优化MXene与MoS?质量比（7:3），DM-TSF传感器对100 ppm NH?的响应值高达-96.99%，响应/恢复时间分别为167 s和305 s。与纯MXene/ANF纤维相比，引入MoS?后响应值提升超过两倍，且基线电阻保持稳定，说明MoS?的引入显著增强了肖特基结的调制能力与气体响应行为 （图5a-f)。DFT计算表明，MXene的功函数（3.201 eV）低于MoS?（5.770 eV），导致电子从MXene向MoS?转移，形成内置电场。NH?分子吸附后，其电子注入行为进一步调制肖特基势垒高度，引起接触电阻变化，从而实现高灵敏度响应 (图5g)。此外，DM-TSF对NH?的选择性远高于CO、CH?O等干扰气体（图5f），且具备良好的循环稳定性与长期可靠性，适用于复杂火场环境下易爆气体氨气的监测, 当电阻低于安全阈值，系统会在短时间内触发警报系统，警告现场有爆炸或中毒风险，极大提升消防员在复杂火场作业的安全性。

图5 DM-TSF对氨气监测的灵敏性与选择性

  图6展示了DM-TSF传感纤维在消防服装中的集成与应用，实现了对高温和氨气的主动感知与实时预警。该便携式无线报警系统能够同时监测温度与NH?浓度，其DM-TSF纤维如同普通纱线般被编织于消防服的关键部位，并与自主研发的微型信号处理电路板（PCB）相连接。该系统集成了电压/电阻检测、信号处理、阈值设定、蓝牙传输及声光报警等多个模块，具备实时无线数据传输与远程报警功能。实验结果表明，当温度超过设定阈值（对应输出电压 ≥ 5 mV，约300?°C）时，系统可在2秒内发出高温警报；当环境中NH?浓度超过检测下限导致电阻值低于20 MΩ时，系统能在28秒内触发独立的声光报警。同时，报警信号可通过蓝牙传输至消防员终端及后方指挥中心，及时提示防护服热降解风险或环境中有害气体泄漏，从而显著增强消防服装在复杂火场条件下的主动预警与防护能力（图6a–c）。此外，DM-TSF纤维具备超低密度（0.0783 g/cm3）、高柔性和优良阻燃性能，可无缝集成于消防服外层，既不影响服装的穿着舒适性，也不限制运动自由度。

图6 DM-TSF传感纤维在消防服装中的潜在应用

  综上所述，本研究提出的温度与NH?双模态感知智能纤维制备技术，能够响应多重外部刺激，可为消防服装构建“数字神经末梢”，有效突破传统防护服在复杂火场环境中的感知局限。该传感纤维具备信号稳定、无串扰以及优良的适形性等优势，可为消防员在灭火救援过程中提供关键信息支持，显著提升作业安全水平。未来，该技术不仅有望推动智能防护服装的进一步发展，也为多危险要素同步监测提供了可扩展的技术平台，在化工、矿山等高风险行业的职业安全防护领域具有广阔的应用前景。

  原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00599-6