武汉纺织大学于志财/何华玲等封面论文：仿生各向异性芳纶气凝胶赋予消防服高效隔热与精准高温预警，守护“逆行者”生命安全

研究背景

消防服是消防员在高温环境下执行救援任务的关键防护装备。目前，传统消防服不仅质量重且缺乏精准实时温度感知及高温预警功能，往往导致在服装面料出现肉眼可见损坏之前，由于服装面料的热损伤使得服装热防护性能低于安全阈值，造成消防员在灭火救援过程中伤亡事件大幅增加。鉴于此，轻质且具高温预警功能的消防服装用隔热材料成为行业研发热点。本研究基于芳纶气凝胶低密度、高孔隙率、高隔热、高阻燃等优点，该研究受人体肌肉定向结构与高效能量传递机制启发，设计制备了一种兼具高效热电转换与精准温度感知功能的各向异性芳纶纳米纤维气凝胶(ACMCA)，不仅解决了传统消防服笨重且“只防不警”的难题，提高了消防员在复杂火场中作业的安全性

Muscle-Inspired Anisotropic Aramid Nanofibers Aerogel Exhibiting High-Efficiency Thermoelectric Conversion and Precise Temperature Monitoring for Firefighting Clothing

Zhicai Yu, Yuhang Wan, Mi Zhou, Md Hasib Mia, Siqi Huo, Lele Huang, Jie Xu, Qing Jiang, Zhenrong Zheng, Xiaodong Hu, Hualing He*

Nano-Micro Letters (2025)17: 214

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01728-x

本文亮点

1. 模仿肌原纤维的定向排列，通过定向冷冻技术构建气凝胶的层状孔道及定向有序导电网络，赋予芳纶纳米纤维气凝胶优异的力学性能(拉伸强度2.52 MPa，压缩强度0.21 MPa)和轴向电导率(0.625 S m⁻1)。

2. 将相变材料二十烷(EI)与导电MXene纳米片复合，结合EI的负温度热导特性与MXene的定向导电网络，实现“高温差激发”与“高效载流子传输”的完美耦合，其具有优异的塞贝克系数(46.78 μV K⁻1)，热导率(0.048 W m⁻1 K⁻1)，实现热电高效转换。

3. 实现宽温域50–400 °C范围内的精准温度监测，温差与输出电压强度呈线性关系(拟合度R2=0.99)，高温预警响应时间仅1.43秒。

4. 通过沉积负载CH₃NH₃PbI₃，气凝胶实现可视化氨气(NH₃)监测，灵敏度达87.3%。

内容简介

武汉纺织大学于志财、何华玲等人受人体肌肉高度有序的定向结构启发，创新性地提出“结构仿生+功能协同”的设计理念，通过定向冷冻策略制备了各向异性的集轻质、高效热电转换与精准温度监测功能于一体的自供电高温预警气凝胶(芳纶纳米纤维/二十烷/MXene/多壁碳纳米管/银纳米线，简写为ACMCA)。其中芳纶纳米纤维构建块和微米级的蜂窝状各向异性的分层结构及沿着孔道形成的快速电子传输通道；同时，将相变材料二十烷与导电MXene纳米片复合，利用二十烷的负温度热导特性与MXene的热电特性，实现“高温差激发”与“高效载流子传输”的完美耦合，克服了气凝胶基热电材料因强度低，结构易坍塌所导致的隔热所必需的结构完整性及高效电荷传输通道的破坏问题。此外，基于制备的ACMCA气凝胶与自主设计的多级无线报警系统进行集成，相当于给消防服装上了“神经末梢”，实现对消防服隔热层的分级高温预警。

图文导读

I 各向异性热电芳纶纳米纤维气凝胶(ACMCA) 的制备

首先将宏观凯夫拉纤维(直径13 μm)在KOH/DMSO体系中去质子化制备出纳米级芳纶纳米纤维(ANFs)分散液(径向尺寸10.88 nm)，再结合MXene、EI等功能组分，采用液氮定向冷冻技术构建了具有各向异性孔道的气凝胶前驱体。独特的乙醇/乙酸(7:3)低温凝固浴体系通过质子化作用促进ANFs再生，同时抑制骨架过度收缩，最终经冷冻干燥获得具有仿生定向结构的气凝胶ACMCA。该材料创新性地整合了EI的负温度系数导热特性与MXene的定向快速载流子传输通道，实现“高温差激发”与“高效载流子传输”的耦合。所得ACMCA气凝胶兼具超轻特性(0.038 g/cm3)和和优异的机械性能(拉伸强度2.52 MPa)，在反复压缩(500次循环)条件下仍保持稳定(图1)。

图1.  仿生ACMCA气凝胶的制备。(a)人体肌肉组织定向结构示意图；(b)从宏观凯夫拉纤维到超细ANFs的演变过程；(c) ANFs分散液的质子化过程；(d) 通过定向冷冻策略制备各向异性气凝胶ACMCA的流程；(e) ACMCA气凝胶兼具高隔热性能与超灵敏温度传感功能。

II 各向异性ACMCA气凝胶的形态和结构

通过定向冷冻干燥策略，ACMCA成功构建了高度有序的层状多孔结构，其平行于轴向的截面呈现规则的平行通道，而垂直于轴向的截面则呈现蜂窝状多孔结构，这种仿生结构与人体肌肉组织的定向传输特性高度相似。能量色散X射线光谱(EDX)和X射线衍射(XRD)分析证实了MXene、银纳米线(Ag NWs)和功能化碳纳米管(MWCNTs-F)的均匀分布，并通过X射线光电子能谱(XPS)揭示了MXene与MWCNTs-F之间形成的Ti-O-C共价键，从而构建了连续的三维导电网络。此外，傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示，ACMCA中各组分的氢键相互作用显著增强了材料的机械稳定性。这些结构特征不仅赋予气凝胶优异的力学性能(拉伸强度2.52 MPa，压缩强度0.21 MPa)，还为其高效热电转换(塞贝克系数46.78 μV K⁻1)和超低热导率(0.048 W m⁻1 K⁻1)奠定了基础(图2)。

图2.  ACMCA微观结构表征。(a) ACMCA大尺寸数码照片(15 cm×20 cm×1 cm)；ACMCA的(b)横截面和(c)表面蜂窝状结构在i低和ii高放大倍数下的SEM图；(d) ACMCA 的EDX图谱；(e) MXene、Ag、ACMCA和ANFs XRD图谱；(f) Ag、ACMCA和ANFs FTIR谱图；(g) MXene/MWCNTs-F和MXene的X射线光电子能谱(XPS)；MXene的(h) C 1s和(i) O 1s高分辨率XPS光谱；(j) MXene/MWCNTs-F的C 1s高分辨率XPS光谱。

III 各向异性ACMCA气凝胶的力学性能

通过定向冷冻干燥技术构建的层状多孔结构赋予该气凝胶超轻特性(0.038 g cm⁻3)与优异的力学性能，其拉伸强度达2.52 MPa，压缩强度为0.21 MPa，可承受高达自身重量400倍的载荷。循环压缩测试表明，气凝胶在50%应变下经10次循环后仍保持70%以上的应力，展现出卓越的疲劳抗性。这种机械稳定性源于ANFs骨架与MXene/Ag NWs之间的多尺度协同作用：氢键交联增强界面结合，三维导电网络提供结构支撑，而定向排列的孔道则有效耗散应力。此外，气凝胶展现出优异的形变耐受性，可反复弯曲180°(图3)。

图3.  ACMCA气凝胶的机械性能。(a) ACMCA气凝胶的轻质特性；(b) ACMCA气凝胶的可裁剪性；(c) ACMCA气凝胶的柔性特征；(d) ACMCA气凝胶可拉起比自己重400倍重量的光学图像；(e) ACMCA内各成分间相互作用力；(f) 样本压缩应力-应变曲线；(g) ACMCA在50%应变下的10次循环压缩应力-应变曲线；(h) 压缩循环对ACMCA杨氏模量和最大应力的影响；(i) 拉伸应力-应变曲线及散点图；(j) 断裂伸长率和抗拉强度；(k) ACMCA气凝胶抗拉伸机理示意图。

IV 各向异性ACMCA气凝胶的热防护性能

该气凝胶展现出卓越的阻燃性(LOI~31%)和热稳定性，在酒精灯直接灼烧12 s后仍保持结构完整，且热释放速率(PHRR)较纯ANFs气凝胶降低80%。通过引入负温度系数相变材料EI，气凝胶在300 °C加热条件下表现出显著的温度梯度(ΔT达202.5 °C)，其热导率随温度升高从0.048 W m⁻1 K⁻1进一步降低，揭示了EI分子无序化对声子散射的增强效应。差示扫描量热(DSC)分析证实C20在气凝胶中的均匀分布(熔融峰45.7 °C)，且三维网络结构有效防止了相变材料泄漏。此外，气凝胶表现出可逆的循环热调节性能，8次冷热循环后平衡温度几乎无衰减(图4)。

图4.  ACMCA热防护性能。(a) ACMCA和ANFs气凝胶燃烧性能测试；(b) ACMCA、ACM、ANFs/eicosane和ANFs气凝胶的极限氧指数(LOI)值；(c) ACMCA和ANFs气凝胶在氮气氛围中的热重曲线；(d) ANFs和ACMCA气凝胶的热释放速率(HRR)曲线；(e) ANFs和ACMCA气凝胶的总热释放量(THR)曲线；(f) 300 °C加热板上的温度-时间曲线；(g) 气凝胶温度与加热板温差(ΔT)；(h) ACMCA循环加热/冷却温度-时间曲线；(i) EI和ACMCA的差示扫描量热(DSC)曲线；(j) ACMCA热导率随温度变化曲线；(k) ACMCA隔热机制示意图。

V 各向异性ACMCA气凝胶的热致温度传感

通过构建肌肉启发的各向异性导电网络，该气凝胶展现出优异的塞贝克效应(46.78 μV K⁻1)，其输出电压与温差呈高度线性关系(R2=0.99)。独特的MXene/MWCNTs-F三维网络显著提升了载流子迁移率，使ACMCA在400 °C高温下仅需26秒即可产生16.7 mV输出信号，响应速度较传统各向同性气凝胶提升60%。循环稳定性测试表明，经过10次250 °C热循环后输出电压仍稳定在8.13 mV(理论值8.23 mV)，且300次弯曲后电压波动小于13%，证实了其优异的耐久性。这种自驱动温度传感机制源于定向温度梯度下电荷载流子的有序迁移，其中eicosane的负温度系数特性进一步增强了热电势差。与现有热电材料相比，ACMCA气凝胶最高工作温度超过400 °C，且实现了1.43秒的快速警报响应(图5)。

图5. ACMCA温度传感性能。(a) ANFs、ACMC和ACMCA气凝胶在酒精火焰下的时间-输出电压曲线；(b) ANFs、ACMC和ACMCA气凝胶的电导率；(c)不同温度下ACMCA的输出电压曲线；(d) ACMCA输出电压与温度线性拟合曲线；(e) ACMCA不同加热温度下的三维输出电压；(f) ACMCA温度传感机理示意图；(g) ACMCA塞贝克系数；(h) ACMCA在不同温度下的电压灵敏度曲线；(i) ACMCA在250 ℃加热与室温冷却交替循环输出电压曲线；(j) ACMCA在0°-180°弯曲角度下电压与电阻变化率曲线；(k) ACMCA在0°-180°弯曲角度下300次循环电压和电阻变化率曲线；(l) 与市售热电气凝胶最大传感温度的对比。

VI 各向异性ACMCA气凝胶的高温和NH₃预警性能

基于ACMCA气凝胶优异的自驱动热电特性，构建了无需外接电源的高温报警系统，在酒精灯火焰接触下仅需1.43秒即可触发警报。其独特的各向异性导电网络和负温度依赖性热导特性使其在50-400 °C的宽温范围内表现出卓越的温度感知能力，且经过6次循环测试后仍保持稳定的性能(1.48 s内预警响应)，表现出超灵敏和可重复的高温预警性能。特别值得关注的是，通过引入CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)改性开发的ACMCA-M复合气凝胶，首次实现了对NH₃气体的可视化监测，在40 ppm浓度下灵敏度达87.3%，并伴随明显的颜色变化(黑色→黄色)。这种双重功能集成解决了传统消防装备无法同时应对高温和有毒气体的技术瓶颈(图6)。

图6.  ACMCA气凝胶的高温预警性能。(a) ACMCA气凝胶在酒精灯火焰下的高温预警测试；(b) ACMCA气凝胶在不同温度下预警的触发时间；(c) ACMCA气凝胶六次预警循环的触发时间；(d) 自驱动ACMCA气凝胶与其他已报道传感器材料(包括电阻转变型和自驱动预警型)的高温报警响应时间对比；(e) ACMCA-M气凝胶气体监测装置示意图；(f) ACMCA-M气凝胶气体监测原理示意图；(g) ACMCA-M气凝胶监测氨气后颜色变化的光学图像；(h) ACMCA-M气凝胶的CIE 1931色度图；(i) ACMCA-M气凝胶与其他气体的气体监测选择性比较，包括NH₃、CO、C₂H₆O、C₃H₆O和C₄H₁₀O的检测。

VII ACMCA在消防服中的扩展应用

该研究创新性地将各向异性热电气凝胶与多级无线报警系统相结合，开发出具有自驱动温度感知功能的智能消防服防护层。系统可通过精确的电压阈值设定(200 ℃/6.8 mV，400 ℃/15.6 mV)实现三级预警：安全状态(<200 °C，绿灯)、高温注意(200-400 °C，黄灯)和危险警报(>400 °C，红灯)。耐久性测试表明，经过500次20%应变压缩循环后，气凝胶的电阻变化率仍保持稳定，证实了其在应用中的可靠性。该系统采用STM32微控制器架构，集成了电压采集、无线通信(ESP-S WiFi)和可视化显示模块，实现了从温度感知到远程警报的全链路功能。特别值得注意的是，该设计通过蓝牙传输技术将危险信号同步至消防指挥中心，为救援决策提供了实时数据支持(图7)。

图7. 基于ACMCA的高温报警系统在消防服中的扩展应用。(a) ACMCA气凝胶在300 °C加热板上的多级高温报警试验；(b) ACMCA气凝胶应用在消防服隔热层中的分级预警示意图；ACMCA气凝胶在20%应变下500次压缩循环后的(c)压缩应力-应变、(d)电阻变化率和(e)电压变化率曲线；(f)多级高温报警系统电子设计原理图；(g)基于ACMCA的无线多级高温报警系统在涉及高温和爆炸性气体的复杂火灾环境时潜在应用示意图。

VIII 总结

综上所述，通过结合EI的负温度依赖性导热系数和定向有序的 MXene (沿定向冷冻方向建立导电网络)的双重协同作用，所制备的ACMCA表现出优异的热电性能(室温下塞贝克系数高达 46.78 μV·K⁻1，导热系数低至 0.048 W·m⁻1 K⁻1)、良好的力学性能和方向依赖性电导率及超轻密度(0.038 g·cm⁻3)；利用热电效应可将热量转化为电压，显示出对温度变化的实时线性电压响应，在宽温区(50-400 ℃)具有精确的温度传感性能(R2=0.99)。ACMCA的热电效应与自主研发的无线高温预警系统相结合，显示了灵敏的高温预警性能。本研究为开发轻质自供电高温预警消防服提供了新途径。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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