消防员执行灭火救援任务时，身处极端复杂的火场：高温炙烤、有毒有害气体随时泄漏。目前，他们的安全仅靠基础防护装备和实战经验。现有防护系统既无法实时预警消防服过热损伤，也无法有效监测易爆易燃和有毒气体。若将传统刚性多模态传感器直接嵌入不规则服装，高模量高、难贴合、动态信号失真、无法满足大形变等问题接踵而至。 因此，开发兼具多模态感知与动态适应特性的纤维传感器，以增强消防服对外部危险环境的实时感知能力，突破现有“感知盲区”，已成为智能消防服领域亟待突破的关键。
近期，武汉纺织大学于志财、何华玲团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Integrated Temperature-NH3 Multiplex Sensing Fibers Enabled by Programmable Assembly of MXene@MoS2 Heterojunction and p/n-type Thermoelectric Core for Firefighting Clothing”的研究成果。该研究以同轴湿法纺丝技术一次成型，在单根芳纶纤维内集成温度传感、信号解耦与氨气传感三层功能，制备出温度/氨气（NH3）双模态精准感知的“超感官”纤维（DM-TSF）。借助数控刺绣，其可嵌入消防服，为面料植入“仿生神经”，实时监测高温损伤与危险气体。最外鞘层MXene-MoS2肖特基异质结通过电子转移调制，赋予纤维对氨气的优异选择性（对20 ppm NH3 的灵敏度为3.14 %/ppm）。同时，基于塞贝克效应的SWCNT p-n分段热电芯材，实现了高热电性能（p型8.44 μV/K，n型7.44 μV/K），并在50–500℃宽域内快速响应，高温预警时间低于2 s。纤维透气、强韧、低成本，信号无串扰，可作为消防服的“数字神经末梢”，以多维度数据为消防员提供关键支撑，并拓展至消防机器人、矿山救援、化工监测、环境感知等智能纺织场景。 该工作融合同轴湿法纺丝、冷冻干燥与掺杂修饰，构筑“温度传感芯-信号解耦层-气体传感鞘”三重同心结构，一次成型双模态纤维DM-TSF，同步感知温度与氨气。如图1a所示，纤维由三层同心圆组成：内核为p型（SWCNT/TPU）与n型（PEI@SWCNT/TPU）热电材料，用于温度感知；中间ANFs隔离层解耦信号；外层MXene@MoS2/ ANFs 复合鞘用于NH3传感。该分层结构不仅实现了温度与气体信号隔离与检测，还借助ANFs增强界面相容性与机械稳定性。采用低温超声混合法在外层鞘中构建MXene@MoS2异质结，使MoS2纳米片嵌入MXene基体，形成高密度肖特基势垒（图1b-c），显著提升NH3吸附与电子传输效率。湿纺剪切力驱动SWCNT、MXene@MoS2沿轴定向排列，导电通路连续，传感性能同步增强。 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 测试表明，MoS2纳米片均匀嵌入MXene基体，二者紧密贴合形成异质结（图2a-b）；界面肖特基势垒对NH3的电子交换极其敏感，却对CO、乙醇、甲醛等视而不见，选择性优异。EDS结果显示C、N、Ti、Mo等元素沿纤维均匀分布，证实功能材料在纺丝中分散一致（图2c-d）。FTIR与XRD分析表明，ANF、TPU、SWCNT依靠氢键和π–π堆叠结合，未形成新的化学键，但功能基团峰位微移，证实分子间相互作用（图2e-f）。XPS显示MXene与MoS₂间发生电子转移，Ti–O–Mo共价键加固异质结并优化势垒高度与载流子传输。BET测试显示p/n段比表面积分别为80.6与43.9 m2/g，平均孔径约20 nm，丰富的孔隙为气体吸附与扩散提供快速通道（图2g-k）。 图 2 DM-TSF和肖特基异质结MXene@MoS₂微观结构表征 图3系统评估DM-TSF在高温下的热稳定性及阻燃行为。纯热电芯（TC）的LOI值仅17%，引入ANFs中间层和外鞘后，ATC与DM-TSF的LOI分别升至27%和35%。微燃烧量热法（MCC）结果显示，DM-TSF的峰值热释放速率（PHRR）降至57.35 W/g，总热释放（THR）同步显著降低，表明外鞘中的ANF与MXene@MoS2协同抑制热量释放。热重分析（TGA）进一步证实，DM-TSF在270–450 ℃区间质量损失仅28.40%，远低于ATC的46.31%，热稳定性优势明显（图3a-h)。阻燃机制研究表明，ANFs、MoS2与MXene在气相释放NO2、CO2、SO2等非可燃气体稀释氧及挥发分，在凝聚相形成致密炭层与物理屏障，阻断火焰蔓延（图3i)。上述耐热特性使DM-TSF充分满足消防服热防护需求，并保障高温预警功能的可靠性。 图 3 DM-TSF的热解行为及阻燃机制 图4 展示DM-TS的温度传感机制及输出电压与温差的优异线性关系。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，Seebeck系数分别为8.44 μV/K和-7.44 μV/K，热电转换效率显著。p-n段交替排列使输出电压随温差线性增长；225 K温差下，15对p-n段输出10.57 mV，符合热电响应规律（图4f）。循环弯曲、扭曲测试表明，TPU基热电芯电阻波动分别低于10.7% 和3.1%，机械稳定性良好。高温预警实验显示，经结构优化的p-n串联一体式热电芯在火焰（约500 ℃）作用下瞬即产生毫伏级电压；当电压超过设定阈值（对应约300 ℃温差）时，系统可在2 s内报警，提醒消防员立即撤离。 图 4 DM-TSF的热电性能与温度传感特性 图5系统评估DM-TSF对NH3的响应灵敏度与选择性。优化MXene与MoS2质量比（7:3）后，纤维在100 ppm NH3下的响应达-96.99%，响应/恢复时间分别为167 s和305 s；较纯MXene/ANF纤维提升两倍以上，且基线电阻稳定，证实MoS2强化肖特基结气敏特性。（图5a-f)。密度泛函计算表明，MXene功函数（3.201 eV）低于MoS2（5.770 eV），电子自发向MoS2迁移形成内置电场；NH3吸附后调制接触电阻，实现高灵敏检测(图5g)。DM-TSF对NH3的选择性显著优于CO、CH4O等干扰气体（图5f），循环寿命与长期稳定性优异，可在复杂火场连续监测氨气。电阻一旦低于安全阈值，系统即秒级报警，提示爆炸或中毒风险，提升消防员作业安全。 图 5 DM-TSF对氨气监测的灵敏性与选择性 图6展示了DM-TSF传感纤维在消防服中的集成应用，实现对高温与NH₃的主动感知与实时预警。纤维可如普通纱编织于服装关键部位，并与微型PCB电路接，构建便携式无线报警系统。该系统集成电压/电阻检测、信号处理、阈值设定、蓝牙传输及声光报警模块，支持实时无线数据上传与远程报警。实验表明：当温度超限（输出电压≥ 5 mV，约300 ℃）时，2 s内触发高温警报；当NH3浓度使电阻低于20 MΩ时，28 s内触发独立声光报警。报警信号经蓝牙同步推送至消防员终端和后方指挥中心，及时提示防护服热降解及气体泄漏风险。此外，DM-TSF密度仅0.0783 g/cm3，高柔性、阻燃性优异，可无缝集成于消防服外层，不影响穿着舒适性与运动自由度。 图6 DM-TSF传感纤维在消防服中的潜在应用 综上所述，该研究提出的温度与NH3双模态感知纤维可响应多重外部刺激，为消防服植入“数字神经末梢”，突破传统防护服在复杂火场的感知盲区。该纤维信号稳定、无串扰、适形性优，可在灭火救援中实时提供关键数据，显著提升消防员作业安全。未来，该技术不仅有望推动智能防护服装升级，也为化工、矿山等高风险行业多危险源同步监测提供可扩展平台，应用前景广阔。
