兼具实时监测与物理防护功能的柔性气凝胶传感器，是保障严酷工作环境中工人安全的关键。然而，传统传感器大多仅适用于常温环境，在高温等恶劣条件下易发生弹性失效和信号不稳定等问题。因此，开发在极端条件下保持优异力学性能和稳定传感特性的气凝胶传感器，成为当前亟待解决的关键问题。
近期，天津工业大学刘雍、李玉瑶团队在Advanced Fiber Materials发表了题为“Superelastic Fiber Aerogels for Wide-Temperature-Adaptive Monitoring and Personal Protection”的研究成果。研究团队研发了一种具有平行片层结构的聚酰胺酰亚胺基（PAI）纤维气凝胶，通过纤维与冰晶间的双亲和作用，实现了导电聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）的定向组装与稳定锚固。该气凝胶具备优异的抗疲劳性、温度适应性（-196℃至200℃）及隔热性，可在实现生理信号实时监测的同时，构建关键的人身防护屏障。
该研究以电纺PAI/双马来酰亚胺（BMI）纤维为构建单元，采用双重交联方法增强结构稳定性，基于聚多巴胺（PDA）的双亲和诱导法构建导电的PEDOT:PSS平行片层结构，最终获得的聚酰胺-酰亚胺/双马来酰亚胺/苯并噁嗪（PSPBB）纤维气凝胶在宽温度范围内展现出优良的传感和隔热性能（图1）。
图1 PSPBB纤维气凝胶传感器的制备工艺示意图
平行片层的形成机制可归因于PEDOT:PSS的双亲效应（图2）：一方面，弱负电荷PSS与弱正电荷冰晶之间存在静电作用，促使PEDOT链沿冰晶生长方向取向排列。另一方面，吸附于纤维表面的PDA提供了丰富的酚羟基（-OH）和氨基（-NH2），可作为氢键供体与PSS中的磺酸基团（-SO3H）形成氢键。此外，PSS与PEDOT之间强劲的氢键与静电作用可确保平行片层与纤维表面牢固结合。
图2 PSPBB纤维气凝胶传感器的结构表征与机制分析
图3展示了PSPBB气凝胶的压缩性能。PSPBB气凝胶在50%应变下压缩强度与模量优异，这归因于纤维与导电片层的协同作用。即使在90%应变下仍保持良好的恢复性能，压缩速率不影响其恢复稳定性。经200次压缩循环后高度保持率超90%，能量损耗系数稳定在24.8%，展现出卓越力学性能与压缩恢复能力。
图3 PSPBB纤维气凝胶传感器的压缩性能
PSPBB气凝胶传感性能优异（图4），0%-80%应变区间内电阻变化呈三段式，0 kPa-6 kPa压力下灵敏度达0.112 kPa⁻¹，应变灵敏因子（GF）最高为1.30，响应/恢复时间仅128 ms/85 ms，30%应变下1000次循环，以及-10℃和150℃环境中8000次压缩循环传感信号均稳定，可精准捕捉生理信号与运动状态，在液氮（-196℃）至200℃极宽温域及湿热等复杂场景下均保持稳定传感。
图4 PSPBB纤维气凝胶传感器的传感性能
PSPBB气凝胶表现出优异的隔热性能（图5），在-20°C至250°C的加热条件下，气凝胶表面温度仅从23.46°C升至72.45°C。有限元模拟结果表明，其内部的平行片层结构有效抑制了热传导，使气凝胶的热导率低至0.027 W/m·K。此外，片层构建策略同样适用于商用海绵材料。在实际应用测试中，PSPBB气凝胶能够保护手指安全抓取160°C的热铁块，并实时监测抓取动作，充分验证了其在极端环境下的稳定传感性能与灵活热防护能力。
图5 PSPBB纤维气凝胶传感器的隔热性能
综上所述，这项工作通过“双亲和诱导法”成功制备了具有平行片层结构的PSPBB气凝胶，既能实现实时生理信号监测，又能构筑关键的个人防护屏障，在智能可穿戴设备及极端环境人体防护领域具有显著应用优势和广阔发展前景。该方法还可推广至聚氨酯和三聚氰胺泡沫材料，展现出广泛适用性。