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  武漢紡織大學(xué)于志財研究團(tuán)隊采用“雙模式協(xié)同預(yù)警”理念，利用同軸濕法紡絲技術(shù)將熱電材料MXene與選擇性氣敏材料SnO?/MoS?集成于核殼結(jié)構(gòu)的高阻燃芳綸纖維上，實現(xiàn)溫度與 CO 氣體的同步檢測與火災(zāi)初期多重信號的高精度捕捉，提升了早期火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性和靈敏度。制備的早期火災(zāi)預(yù)警傳感纖維（SMA）主要包括核殼結(jié)構(gòu)。核層（溫度傳感）：采用二維材料MXene（Ti₃C₂T_x），憑借其優(yōu)異熱電效應(yīng)（塞貝克系數(shù)達(dá)14.91 μV/K），可將溫度差直接轉(zhuǎn)化為電壓信號，實現(xiàn)50–300°C寬范圍監(jiān)測。殼層（氣體傳感與結(jié)構(gòu)保護(hù)）：SnO₂/MoS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強CO 吸附活性及界面電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，Ag NWs 構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（降低電阻），ANFs 提供阻燃性（極限氧指數(shù) 33.67%）和柔韌性。CO+溫度雙模式傳感設(shè)計可有效區(qū)分溫度與氣體信號，突破了傳統(tǒng)傳感器單參數(shù)檢測的局限，顯著提升了早期火災(zāi)預(yù)警可靠性，有望被廣泛應(yīng)用于消防、建筑、家居等領(lǐng)域，真正實現(xiàn)“防患于未燃，化險于無形”。

  本研究采用同軸濕法紡絲技術(shù)結(jié)合NH₄⁺交聯(lián)工藝成功制備了具有典型同軸結(jié)構(gòu)的SMA傳感纖維。該纖維以芳綸納米纖維為基材，通過巧妙設(shè)計實現(xiàn)了三大功能單元的高效集成。基于MXene優(yōu)異的熱電性能，SMA纖維可在50-300 ℃寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)線性電壓響應(yīng)（輸出電壓與溫差呈穩(wěn)定對應(yīng)關(guān)系），精準(zhǔn)捕捉環(huán)境異常溫升；采用SnO₂/MoS₂復(fù)合材料實現(xiàn)對CO氣體的特異性識別，其響應(yīng)靈敏度達(dá)R₀/R=1.43@100ppm；通過一維Ag NWs構(gòu)建高效電荷傳輸通道，既增強CO傳感信號傳導(dǎo)，又確保纖維整體導(dǎo)電穩(wěn)定性。通過顯微結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，芯層經(jīng)NH??交聯(lián)的MXene纖維形成了獨特的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特征通過SEM結(jié)合EDX元素分析得到進(jìn)一步驗證，結(jié)果顯示纖維殼層中SnO₂/MoS₂復(fù)合材料的分布呈現(xiàn)高度均勻性。XRD分析證明，AM纖維與SMA纖維均呈現(xiàn)MXene特征衍射峰，證實了材料的有效復(fù)合。XPS分析揭示，SnO₂/MoS₂復(fù)合材料的引入未引起Sn 3d軌道結(jié)合能的化學(xué)位移，這表明復(fù)合過程中未形成新的化學(xué)鍵，從而保證了SnO₂對CO氣體的本征傳感特性。這種結(jié)構(gòu)-性能的協(xié)同效應(yīng)為開發(fā)高性能氣體傳感纖維提供了新的設(shè)計思路。

  本研究制備的SMA傳感纖維展現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃特性與機(jī)械性能。垂直燃燒和LOI測試表明，SMA纖維的極限氧指數(shù)較純ANF纖維提升了8%，SMA纖維顯示出顯著增強的阻燃性能。TGA熱重分析進(jìn)一步揭示其熱穩(wěn)定性提升機(jī)制：在800℃高溫條件下，SMA纖維殘?zhí)剂窟_(dá)50.39%，明顯優(yōu)于純ANF纖維（38.38%）。這種增強源于材料體系的多尺度協(xié)同作用——MoS₂中的Mo元素與MXene中的C、Ti元素在熱解過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，促進(jìn)生成致密碳層有效阻隔熱質(zhì)傳遞。DTA差熱分析定量顯示，SMA纖維的峰值熱釋放速率較芳綸體系降低至46%，總熱釋放量減少約60%，證實其高效的熱防護(hù)能力。阻燃機(jī)理研究揭示三重協(xié)同機(jī)制：① 層狀MoS₂在芳綸基體中均勻分散，與二維MXene納米片構(gòu)建多級物理屏障網(wǎng)絡(luò)，顯著阻礙熱量擴(kuò)散；② MoS₂/MXene復(fù)合體系在熱解過程中通過吸熱消耗熱能，同時生成SO₂和惰性氣體稀釋氧濃度；③ MXene表面豐富的C-Ti-O活性位點通過催化碳化效應(yīng)，促進(jìn)芳綸基體脫氫交聯(lián)形成高石墨化程度的連續(xù)碳層（拉曼ID/IG=0.90）。此外，拉伸測試表明SMA纖維保持優(yōu)異的力學(xué)性能，斷裂強度達(dá)4.47 MPa，斷裂延伸率為5.77%，滿足柔性傳感材料在復(fù)雜形變條件下的應(yīng)用需求。

  本研究開發(fā)的SMA傳感纖維展現(xiàn)出卓越的溫度響應(yīng)特性與多場景適用性。通過搭建帕爾貼控溫平臺進(jìn)行系統(tǒng)化熱電表征，發(fā)現(xiàn)纖維輸出電壓與溫差在50~300℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)異線性相關(guān)性（R2=0.9941），經(jīng)計算獲得塞貝克系數(shù)為14.91 μV/K，優(yōu)于傳統(tǒng)熱敏材料提升。經(jīng)多次250℃溫差循環(huán)測試，輸出電壓波動率小于15%，證實其出色的信號穩(wěn)定性。特別值得注意的是，纖維經(jīng)180°折疊處理后仍保持90%以上的初始響應(yīng)靈敏度，這種柔性特征使其可適配各類異形表面，通過近場貼附策略將檢測距離縮短至潛在著火點5 cm范圍內(nèi)，實現(xiàn)快速火災(zāi)預(yù)警響應(yīng)。為驗證實際應(yīng)用潛力，設(shè)計熱刺激實驗。當(dāng)人體手指接觸時，纖維產(chǎn)生電信號（ΔV≈0.1 mV）；而玻璃棒熱傳導(dǎo)刺激則呈現(xiàn)單無明顯電信號變化。這種差異化的信號表明了SMA傳感纖維具有靈敏的熱刺激響應(yīng)。該材料體系為智能消防系統(tǒng)提供了新型纖維基解決方案。

  本研究開發(fā)的SMA傳感纖維展現(xiàn)出卓越的一氧化碳檢測性能與選擇性識別能力。系統(tǒng)化氣敏測試表明，該纖維對100-1000 ppm濃度范圍的CO氣體呈現(xiàn)顯著濃度依賴響應(yīng)特性（R2=0.9979）。較純SnO₂體系提升約4倍，這得益于獨特的異質(zhì)結(jié)協(xié)同機(jī)制：SnO₂表面通過捕獲環(huán)境氧分子形成O₂^-、O^-等化學(xué)吸附氧，誘導(dǎo)形成電子耗盡層使材料處于高阻態(tài)；MoS₂的引入與SnO₂構(gòu)建p-n異質(zhì)結(jié)界面，促進(jìn)載流子定向遷移。當(dāng)暴露于CO時，發(fā)生表面氧化還原反應(yīng)（CO(gas) + O^-(ads) → CO₂(gas) + e^-），釋放的電子中和耗盡層導(dǎo)致電阻顯著下降（R₀/R=1.43@100 ppm）。循環(huán)穩(wěn)定性測試顯示，經(jīng)多次循環(huán)測試后，響應(yīng)值衰減小于10%。選擇性實驗證實，該纖維對CO的選擇性高于氨氣和甲醇、乙醇等典型VOCs氣體。

  研究制備的SMA傳感纖維實現(xiàn)了突破性的早期火災(zāi)預(yù)警效能，其綜合性能指標(biāo)（響應(yīng)靈敏度R₀/R=1.43@100 ppm-CO，響應(yīng)時間41s；溫度響應(yīng)時間t≤4 s，設(shè)置觸發(fā)閾值1mV）。根據(jù)實驗（圖6a）可以得出，SMA傳感纖維具有靈敏且穩(wěn)定的早期火災(zāi)預(yù)警功能。進(jìn)一步組裝了基于SMA傳感纖維的無線早期火災(zāi)報警系統(tǒng)，如圖6f中所示，整個系統(tǒng)主要分為信號采集裝置與信號處理裝置。當(dāng)環(huán)境中CO氣體濃度或溫度達(dá)到一定水平時，SMA傳感纖維產(chǎn)生電信號變化，之后電信號變化被傳輸?shù)綗o線火災(zāi)早期報警系統(tǒng)。當(dāng)電信號變化超過報警觸發(fā)閾值時，報警裝置上的光報警器和蜂鳴器開始發(fā)出報警聲，提醒人們發(fā)生早期火災(zāi)現(xiàn)象并及時采取滅火措施。此外，該無線早期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)還可以將火災(zāi)現(xiàn)場CO氣體的實時濃度傳輸給監(jiān)控人員，以確定火災(zāi)現(xiàn)場是否適合后續(xù)消防員進(jìn)入進(jìn)行救援活動，從而確保消防員的生命安全。這項工作為開發(fā)可靠、靈敏的智能火災(zāi)預(yù)警傳感器提供了新的策略。

  相關(guān)工作以“Dual-mode core–shell structured early fire warning sensing fiber with selective CO and temperature detection”為題發(fā)表在TOP學(xué)術(shù)期刊《Chemical Engineering Journal 》（DOI：10.1016/j.cej.2025.162586）上。同時，該工作也是課題組近期在纖維基火災(zāi)預(yù)警柔性傳感器的最新進(jìn)展之一，是前期研究工作ACS Nano (2022)：16, 2953-2967(高被引)、Nano-Micro Lett.(2023) 15:226 (高被引及熱點)、Advanced Fiber Materials (2024) 6:1387–1401(高被引及熱點)、Chemical Engineering Journal 460 (2023) 141661(高被引及熱點)、Carbohydrate Polymers 334 (2024) 122040(高被引及熱點)、Nano-Micro Lett.(2025) 17:214、Composites Part B: Engineering（2022）：110348等工作的延續(xù)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162586