为有效保障恶劣作业环境下工作人员的安全，研发一款集实时监测与物理防护功能于一体的柔性气凝胶传感器至关重要。
基于此，天津工业大学刘雍教授&李玉瑶副教授团队通过巧妙构建纤维与冰晶间由桥接介导的双亲和作用，制备出具有平行片层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）。相关研究内容以“Superelastic Fiber Aerogels for Wide-Temperature-Adaptive Monitoring and Personal Protection”为题目，发表在期刊《Advanced Fiber Materials》上。
借助聚苯乙烯磺酸盐（PSS）与冰晶的相互作用，导电聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩（PEDOT）:PSS 链随冰晶的定向生长实现取向组装，同时通过 PSS 与纤维表面聚多巴胺（PDA）的相互作用，稳定锚定于纤维之上。制得的 PSPBB 气凝胶拥有坚固的骨架结构，具备优异的抗疲劳性（200 次压缩循环后高度保持率超 90%）、8000 次压缩循环下稳定的传感性能，以及超宽的温度适应范围（-196℃至 200℃）。此外，多孔气凝胶内部的平行片层结构使其具备优良的隔热性能，既能实现生理信号的实时监测，又能构筑关键的人身防护屏障。该研究结果充分彰显了PSPBB气凝胶在工业安全、消防、航空航天等高要求领域的应用潜力。
图1 PSPBB纤维气凝胶传感器的制作过程示意图。b非交联气凝胶的压缩性能（上）和热交联气凝胶（下）。光学照片显示了PSPBB气凝胶的c型可调性和d型扭曲和弯曲性能。e PBB和PSPBB气凝胶的TG曲线。
图2 a、a' 不同放大倍数下 PBB 气凝胶的扫描电镜显微照片；b、b' 不同放大倍数下 PSPBB 气凝胶的扫描电镜显微照片；c PEDOT:PSS 平行片层的形成过程示意图；d PSPBB 气凝胶横截面中碳、氧、硫元素分布的能谱面扫图；e 三聚氰胺海绵的扫描电镜显微照片；e' 三聚氰胺/PEDOT:PSS 海绵的扫描电镜显微照片；f 聚氨酯海绵的扫描电镜显微照片；f' 聚氨酯/PEDOT:PSS 海绵的扫描电镜显微照片。
图 3 a 体积密度与电导率；b PBB 气凝胶及不同 PEDOT:PSS 含量 PSPBB 气凝胶的压缩强度与模量（压缩应变为 50%，压缩速率 5 mm/min）；c 不同应变下 PSPBB 气凝胶的应力 - 应变曲线；d 不同压缩速率下 PSPBB 气凝胶的应力 - 应变曲线；e 不同循环次数下 PSPBB 气凝胶的应力-应变曲线（压缩应变为 50%，压缩速率 10 mm/min）；f 循环压缩过程中的最大应力、塑性形变及能量损耗。
图 4 a PSPBB 气凝胶的相对电阻随压缩应变的变化曲线；b PSPBB 气凝胶的相对电阻随压力的变化曲线；c PSPBB 气凝胶的响应时间与恢复时间；d PSPBB 气凝胶压力传感器模型；e 不同压缩应变下 PSPBB 气凝胶的有限元模型；f PSPBB 气凝胶在 30% 应变下经 1000 次循环后的相对电阻变化；g PSPBB 气凝胶的实际应用场景：说话、行走与跑步、屈膝、手指弯曲；h 液氮环境下 PSPBB 气凝胶的压阻传感性能；i 低温（-60℃）及高温（100、150、200℃）环境下 PSPBB 气凝胶的压阻传感性能。
图 5 a PSPBB 气凝胶置于不同温度热台表面 5 分钟后的红外热成像图；b PSPBB 气凝胶上表面的对应温度及与热台间的温差（ΔT）；c 5~20 秒内PBB气凝胶与PSPBB气凝胶温度分布的有限元模拟图；d PSPBB气凝胶的热传递示意图；e PBB气凝胶、PSPBB气凝胶、三聚氰胺海绵、三聚氰胺/PEDOT:PSS 海绵、聚氨酯海绵、聚氨酯/PEDOT:PSS 海绵置于 120℃热台表面的红外热成像图；f 将PSPBB气凝胶固定于手指，检测抓取高温圆柱形固体铁块动作的实际应用图。
结论
综上，本研究通过双亲和诱导法成功制备出具有平行片层结构的 PSPBB 气凝胶。所制得的纤维气凝胶兼具超低密度（33.02 mg/cm³）、优异的压缩回弹性（200 次循环压缩后高度保持率超 90%）与抗疲劳性，在 8000 次循环压缩后仍能保持稳定的传感性能，同时拥有超宽的温度适应范围（-196℃至 200℃）。
此外，多孔气凝胶内部的平行片层结构赋予其优异的隔热性能，热导率仅为 0.027 W/(m・K)，使其在实现生理信号实时监测的同时，还能构筑关键的人体防护屏障。上述研究结果证实，该技术在极端环境下的智能可穿戴设备与人体防护领域具备显著的应用优势和广阔的发展前景。同时，该制备方法还可拓展应用于聚氨酯、三聚氰胺泡沫材料，体现出良好的普适性。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-026-00698-y
