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2026-08-26

天津工业大学《Adv. Fiber Mater.》|双亲和诱导法制备超弹纤维气凝胶,实现-196℃至 200℃宽温传感 + 隔热防护一体化

文献速览

No.1


       传统柔性压力传感器多仅适配常温温和环境,低温液氮、高温冶炼、消防等极端工况下易弹性失效、传感信号漂移,难以同步实现人体信号实时监测与物理隔热防护。天津工业大学纺织科学与工程学院团队提出纤维 - 冰晶双亲和诱导制备策略,构筑平行片结构 PAI/BMI/ 苯并恶嗪(PSPBB)纤维气凝胶,相关研究成果刊载于Advanced Fiber Materials。以耐高温聚酰亚胺纳米纤维为骨架,利用多巴胺界面锚定与冰晶定向生长作用,让 PEDOT:PSS 导电片层有序均匀分布在纤维网络内部;材料具备超弹性抗疲劳特性,200 次压缩后高度保留率超 90%,8000 次循环传感信号无明显衰减,可在 - 196℃至 200℃超宽温区间稳定工作。气凝胶导热系数低至 0.027 W・m⁻¹・K⁻¹,兼具隔热屏障功能,贴附人体可精准捕捉脉搏、关节运动、发声等生理信号,同时该制备工艺兼容商用三聚氰胺、聚氨酯海绵,可规模化拓展工业防护、航天监测、消防穿戴装备场景。通讯单位为天津工业大学纺织科学与工程学院、先进纺织复合材料教育部重点实验室。

文章摘要

No.2


图片

       为有效保障恶劣工作环境下的工人安全,开发一种兼具实时监测与物理防护功能的柔性气凝胶传感器至关重要。本研究通过巧妙构建纤维与冰晶之间的桥接双亲和作用,成功制备出平行片状结构的聚(酰胺-酰亚胺)/双马来酰亚胺/苯并恶嗪(PAI/BMI/BA-a)纤维气凝胶(简称 PSPBB)。得益于聚苯乙烯磺酸酯(PSS)与冰晶的相互作用,导电性聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT): PSS 链沿冰晶方向定向排列并生长,同时通过 PSS 与纤维表面聚多巴胺(PDA)的相互作用实现稳定锚定。所得 PSPBB 气凝胶具有坚固的支架结构、优异的抗疲劳性能(200次压缩循环后高度保持率超过90%)、在8000次压缩循环中仍保持稳定的传感性能以及超宽温度适应范围(-196°C至200°C)。此外,多孔气凝胶中的平行片层具备良好的隔热性能,在实现生理信号实时监测的同时,还能提供关键的个人防护屏障。这些结果充分证明了 PSPBB 气凝胶在工业安全、消防及航空航天等严苛领域应用的巨大潜力。

文章亮点

No.3


 •依托 PSS 与冰晶静电亲和、PSS 与多巴胺氢键亲和双重作用,冷冻过程引导 PEDOT:PSS 沿冰晶生长方向规整成平行薄片,无需复杂模板;两步热交联(180℃苯并恶嗪开环、220℃双马来酰亚胺聚合)固化纤维骨架,解决普通气凝胶受力坍塌、导电相团聚问题,EDS 证实导电组分全域均匀分散。

 •PAI 耐高温纤维搭配双重热交联网络,气凝胶密度低至 33.02 mg・cm⁻³,90% 大应变压缩可完全回弹;200 次循环压缩后最大应力保留 90% 以上,8000 次持续压阻测试输出曲线无畸变,高低温循环工况下力学衰减幅度极低,满足长期穿戴重复形变需求。

 •常规柔性传感器高温导电相分解、低温硬化失效,PSPBB 依托 PAI 刚性耐热骨架,在液氮(-196℃)、-60℃低温、100/150/200℃高温环境均可输出稳定电阻信号;压力检测低区间灵敏度达 0.112 kPa⁻¹,响应 128 ms、恢复 85 ms,信噪比 70–78 dB,运动重复误差低于 5%。

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图1 a PSPBB 纤维气凝胶传感器的制备工艺示意图


总结

No.5


       市面上绝大多数柔性压阻传感器仅能在常温环境使用,极端高低温下弹性与传感性能快速劣化,且仅具备单一信号采集功能,无法为高温、低温作业人员提供隔热防护。天津工业大学团队以耐高温聚酰亚胺纤维为基底,发明纤维 - 冰晶双亲和定向构筑方法,一步成型内嵌平行导电薄片的超弹气凝胶。材料同时实现宽温域稳定压力传感与高效隔热,既能精准采集人体各类生理、运动信号,又可作为热防护缓冲层,突破传统穿戴材料功能单一、环境耐受性差的短板。制备路线普适通用,可拓展多种商用多孔基底,后续可开发大面积柔性传感防护织物、消防智能面罩、航天低温监测衬垫等成品,推动极端环境多功能穿戴器件落地应用。

文章信息

No.6


       本文内容来自期刊Advanced Fiber Materials (2026) 8:1641–1652以Superelastic Fiber Aerogels for Wide‑Temperature‑Adaptive Monitoring and Personal Protection为题的文章。文章DOI号:10.1007/s42765-026-00698-y


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