近日，东华大学王宏志教授团队与香港城市大学吴波教授合作在《Advanced Functional Materials》上发表了一项题为“Multifunctional Carbon Nanotube Based Thermoelectric Yarn Enabling Fire Warning and Waste Heat Harvesting”的研究成果。该研究通过化学修饰与机械加捻相结合的工艺，开发出一种具有优异热电性能、机械柔韧性和环境稳定性的碳纳米管基热电纱线，为智能可穿戴系统提供了全新的解决方案。

  研究团队成功制备出一种基于碳纳米管薄膜的高性能热电纱线，其最大功率因子（PF_max）高达953 μW m^-1 K^-2，表现出卓越的柔韧性和可织造性。该纱线可直接织入消防服中，在高温环境（≥500 K）下仍保持稳定工作，并具备极快的响应特性（阈值电压2 mV，响应时间≤0.5 s）。此外，结合辐射冷却技术用于人体废热回收时，其功率密度可达0.98 μW cm^-2，性能超越大多数现有纤维基热电设备，接近无机块体柔性设备的先进水平。

  随着电气设备广泛使用和建筑装饰材料易燃性增加，火灾风险显著上升。极端高温气候进一步加剧了电路过载和热失控等电气火灾诱因的威胁。消防员在火场中需实时感知温度变化以保障救援效率与自身安全。热电技术（TE）利用火场与人体之间的自然温度梯度，为温度传感提供了理想途径。然而，传统刚性传感器会影响防护服的重量和机动性，而薄膜器件虽具备良好电学性能，却存在集成密度低和结构稳定性差的问题。纤维基热电设备（TED）凭借其一维线性结构，可通过成熟纺织技术嵌入织物中，在保持纺织品透气性与舒适度的同时，实现与曲面的动态贴合。然而，现有纤维制备技术如熔融热拉、湿法纺丝等仍面临工艺复杂性和服役稳定性不足的挑战。

技术创新与制备工艺

  本研究提出了一种基于化学修饰与机械加捻的两步法制备工艺：

  首先将原始CNT薄膜浸入FeCl?溶液中进行初步掺杂，随后通过S型折叠形成多层结构，并在特定区域通过超声处理实现精确脱掺杂，形成交替的p型与未掺杂区域。机械加捻过程不仅显著提高了纱线的拉伸强度（提升近4倍），还形成了保护性拓扑结构，屏蔽内部功能层免受机械磨损和侵蚀。

  通过该工艺制备的纱线具备以下特性：

• Seebeck系数提升至>50 μV K^-1；

• 电导率显著增强，功率因子提升3–5倍；

• 机械强度大幅提高，循环弯曲测试中电阻变化极小；

• 环境耐受性优异，适用于极端环境。

应用性能展示

1. 自供电火灾预警系统

  将该热电纱线织入消防服面料中，利用火场与皮肤之间的温度梯度产生电压信号，实现无线高温预警：

• 在酒精灯火焰测试中，单线圈单元与四线圈串联设备均表现出稳定的电压输出与线性温度响应；

• 响应时间低于0.5 s（阈值电压2 mV），优于多数现有TE预警设备；

• 电压幅度与热源距离密切相关，为消防员提供空间感知信息。

2. 人体废热回收

  结合辐射冷却功能层（PAN/SiO₂纳米纤维膜）与铝质绝缘层，构建可用于人体废热回收的TED：

• 辐射冷却层在紫外波段反射率达85.12%，中红外发射率达90.45%，有效抑制冷端温升；

• 铝质绝缘层提升红外反射率，使热端温度提高0.5–1.2°C；

• 最终实现≈3°C的稳定温差，输出功率密度达0.98 μW cm^-2，性能接近先进无机块体柔性系统。

  
  

总结与展望

  该研究通过简单的化学-机械协同工艺，成功制备出兼具高热电性能、机械强度和环境稳定性的CNT热电纱线。其在火灾预警与人体废热回收方面的卓越表现，为智能纺织品在极端环境防护、物联网分布式供电和智能医疗监测等领域的应用提供了突破性解决方案。 该技术不仅具备高织造密度和稳定输出特性，更通过 整体的纺织集成结构消除了传统外置设备的不适感，具备显著的实用化前景。

论文信息

标题：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