消防应急领域可穿戴智能材料研究综述

消防应急体系的核心任务在于处理极端环境中由高温辐射、毒性烟气与微细颗粒物共同带来的复合性损伤，而作为直接暴露在灾害环境中的消防员，其生命安全高度依赖个人防护装备（PPE）的性能稳定性。然而，传统消防PPE多依靠阻燃纤维、隔热层与复合涂层等被动式防护策略，材料通常采用芳纶、玻纤、阻燃棉或经阻燃剂处理的织物组合。这些结构虽能短时间抵御外部热通量，却普遍存在重量大、透气性差、机械柔韧度不足、穿着阻力大等缺陷，限制了消防员的机动性与持续作业能力。更为关键的是，传统PPE无法提供实时环境监测、火场态势反馈或生理参数监控，使消防员无法提前感知危险情势的加速变化。
近十年来智能/智慧材料的发展，使PPE不再只是阻隔层，正逐步演变为具有传感、响应、调节与决策能力的智能系统。而随着智能材料、可穿戴系统与人工智能技术的进一步深度融合，消防员个人防护装备也将产生“被动隔离”向“主动监测-自适应调控-多功能协同”的智能化跃迁，成为重塑消防与应急装备体系的关键突破方向。因此，本研究系统综述了智能材料在消防防护服与呼吸防护设备中的最新进展，涵盖高温预警、热管理、阻燃增强、自供能及有害气体过滤等关键功能及其当前挑战与未来方向。

图1 智能材料在可穿戴防护服中的应用

在智能防护服的演进过程中，研究重点主要集中于四大核心功能模块：高温预警、热调控、阻燃结构强化与自供能系统。高温预警模块是智能 PPE 的主动防护起点，其本质是利用材料的热敏、电敏或化学变化特性，将温度突变转化为电信号，从而在高温危害到达人体之前给予警报。温敏响应机制包括负温度系数（NTC）效应、热电效应、热诱导还原反应等。例如负温度系数的Fe3O4纳米颗粒在高温下可释放载流子，导致电阻骤降，从而形成快速导通；而含氧官能团丰富的 GO（石墨烯氧化物）在高温下发生热还原，电导率也随之跃迁，从非导电态转变为导电态。此外，热电材料如Ag2Se可利用温差自动产生电压，实现无需外部电源的自供能报警。为了保证穿戴舒适性与高温稳定性，研究常将温敏单元构筑在气凝胶纤维或柔性织物结构中，如A-CNT/气凝胶复合体系在火焰接触后2秒左右即可发出警报，且在100%RH高湿环境中仍保持稳定性。更重要的是，高温预警材料逐渐从一次性报警向可逆循环报警进化，以适应火场中反复冷热冲击的真实情境。在此过程中，如何兼顾快速响应与多循环稳定性成为关键科学问题，而纳米结构设计、界面调控与功能层协同成为解决方案的核心路径。

在热调控模块中，智能材料实现了从简单隔热向动态热管理系统的跃迁。传统隔热材料仅通过厚度、孔隙率与导热率降低热通量，但在长时间暴露中仍会不可避免地向皮肤传递热量。智能热调控材料则通过主动冷却与响应性调节两条路径改善防护性能。主动冷却主要依赖导电纤维、纳米金属、多孔结构与电制冷组件，而响应性调节则以相变材料（PCM）为核心。PCM在固-液相变中吸收或释放大量潜热，可在消防员暴露火源时迅速吸热保护皮肤，在撤离后再缓慢释放热量。石蜡类PCM、PPP改性聚旋轮烷、纳米多孔增强PCM等结构不仅提供高潜热储能能力，还可通过复合多尺度导热填料（如石墨烯、金属颗粒）提升传热速率，使PCMs能够更快速地调节表层温度。此外，智能PCM织物实现了“定温”保护：当外界温度超过其熔融点，材料便进入吸热平台期，延缓皮肤温升，在30～60s内有效阻止热冲击传递。未来热调控系统将进一步发展为具有温度记忆性、可逆调节、长循环稳定性与低热衰减的智能微气候结构，使防护服能实现区域化温控与生理自适应调节，与人体热应激调节协同工作。
阻燃模块则通过二维材料、生物基凝胶与多层界面工程构筑高效热障。MXene由于其层状结构、金属导热性与易氧化碳化特性，可在火焰作用下转化为TiO2纳米颗粒与致密炭层，阻止氧气进入内部聚合物，同时减少可燃物挥发。其阻燃作用可分为三类：气相抑燃、凝聚相炭化与界面热反射。与蒙脱石、ZIF 晶体、银纳米线等材料协同后，可形成三维多层热防护结构，进一步提高阻燃效率。此外，水凝胶材料凭借其高含水量可提供蒸发吸热与热流分散能力，而无机片层如 MMT 则提供耐高温骨架，使两者复合后兼具柔韧性、阻燃、阻隔与热缓冲等多重功能。未来防护服阻燃层的设计正向“多功能层状架构”发展，即在一个微米级厚度内整合热反射层、炭化层、热沉层与柔性支撑层，使阻燃模块从线性阻隔结构转变为具有动态温度响应、结构自修复（如高温下快速炭化填补裂纹）与长效抗老化的智能阻燃系统。

自供能模块则解决了智能化 PPE 随着传感单元增多后在电源方面的瓶颈。通过摩擦纳米发电机（TENG）、压电纤维、纤维电池、固态电解质超级电容等方式，防护服能够将人体运动、摩擦、压力或火场温差转化为稳定输出电能，为温度传感器、定位模块、通信模块提供持续供电。例如纤维状TENG可缝入服装缝线，在行走与弯曲动作中产生140V以上的开路电压；纤维电池则通过微通道结构实现高比容量与高温稳定性，可在4.4V电压下驱动无线传输模块。更先进的PI-IC晶体超级电容能在高温触发电解质熔融后自动启动报警，形成真正意义上与温度信号联动的“热激活式能源节点”。未来自供能系统将在柔性电路、纤维电池微型化、多模态能量采集与能量管理算法等方面持续发展，使智能PPE 中传感-通信-预警-供能闭环运行。

图2 智能呼吸防护装备中功能材料作用机制的示意图

相较于外部热危害，吸入性损伤对生命威胁更为直接，因此智能呼吸防护系统在火场 PPE 架构中具有同等重要的地位。其发展围绕三个主要威胁展开：高温气体、有毒气体与可吸入颗粒物。对高温气体的处理核心在于快速降温。近年来相变材料换热器通过结构化设计、复合材料增强与流体场优化，使得呼吸气体能在毫秒级热交换中迅速降温，如石蜡 / 膨胀石墨 PCM 模块可将 500K 气体降至适宜吸入的 313K，并在连续呼吸条件下维持 20 分钟以上。为了降低呼吸阻力，研究者通过改变 PCM 颗粒尺寸、控制孔隙度与增加传热面积，使换热器在保证降温效率的同时减轻呼吸负担。此外，数值模拟工具如OpenFOAM 进一步验证了颗粒 PCM 床层在不同呼吸频率下的温度场变化，确保系统性能与人体呼吸行为匹配。未来高温气体处理方向将从固定结构向可调节结构发展，研究重点包括可变孔径 PCM 单元、实时热通量控制与呼吸节律同步的智能调控换热器设计。
在毒性气体过滤方面，活性炭仍是最成熟的吸附基材，其多级孔结构能够吸附CO、SO2、HCN、PAHs 等高危物种。然而其性能受湿度、温度和气体浓度影响，且在高湿火场容易出现吸附饱和。因此金属有机框架（MOFs）、多孔纳米纤维膜与静电吸附复合材料正成为新一代吸附层。MOFs拥有高度可调的孔径、官能化位点与本征选择性，可用于捕获微量毒性气体甚至作为传感单元用于实时监测，但其水敏性与力学脆性是亟须解决的工程问题。复合化策略如 MOF- 聚合物复合、MOF- 纳米纤维膜构筑多尺度骨架，可提高其水稳定性、柔韧性与循环寿命。在未来的智能呼吸器中，有毒气体过滤单元不仅要完成吸附任务，也需与传感器一体化设计，实现“吸附 -监测 - 预警”功能的同步运行。

可吸入颗粒物过滤依赖纳米纤维膜的高比表面积与纳米级孔径，其捕获机制包括惰性碰撞、拦截、布朗扩散与静电吸附。PAN、PVDF、PLA、CA 等材料可制成蓬松结构的超细纤维膜，在低压损下实现 99.97%以上的过滤性能。同时通过材料表面电荷调控、功能颗粒复合（如 CuO 纳米颗粒）以及纤维结构调控，可进一步增强对亚微米烟尘与带电颗粒的捕获能力。未来纳米纤维过滤系统将朝着可降解、抗湿、低阻高效与可再生等方向发展，以满足实战环境中高湿、高温、高颗粒负荷条件下的长期稳定运行的需求。

尽管智能 PPE 在实验室层面已展现巨大潜能，但工程化应用仍存在一系列制约因素。首先，多传感器系统的电磁干扰、信号漂移与烟雾颗粒对敏感元件的污染会影响设备稳定性；其次，先进材料如MXene、MOF 等的批量制备成本高昂且对环境敏感，使其难以直接应用于大规模消防装备；第三，多功能集成不可避免增加材料层数与结构复杂度，从而影响防护服柔性、重量与舒适度。此外，许多功能在实验室中表现优异，但在真实火场中需面对高温冲击、高湿浸泡、结构挤压与腐蚀性烟雾等强应力条件，当前的实战验证仍远远不足。为解决这些问题，智能 PPE 的未来发展方向需从单项性能突破转向综合集成优化。从材料科学角度看，需要发展低成本可规模化的智能材料体系；从结构设计角度看，需将阻燃层、热调控层、传感层与能量层进行高度耦合的多层规划；从系统层看，应实现传感 - 通讯 - 决策的全链路闭环，通过 AI 实时分析温度、气体与生物信号，提供预测性决策与个性化防护指令。此外，未来 PPE 评价体系将引入类器官芯片，以模拟人体皮肤与呼吸道在极端环境中的生理变化，弥补动物实验与体外测试的局限，为智能 PPE 的实战部署提供可靠依据。
综上，智能个体防护装备的发展不仅是材料性能跃升，更是消防应急体系的结构性革新。通过智能材料、传感系统、能量采集与 AI 算法的深度融合，未来的消防PPE 将具备环境感知、主动调控、智能决策与多模块协同能力，使其不再是单纯的防护装置，而是具备实时判断与预测能力的智能伙伴。随着材料科学、微能量系统与智能算法的持续突破，面向极端灾害环境的个人防护装备将迈向高可靠性、强适应性与智能自组织的新阶段，为消防人员在高危环境中的安全作业提供革命性支撑。

沈阳消防研究所译自：Teng,Y.et al.Intelligent/Smart materials for wearables used in fire emergency medical services. International Journal of Smart and Nano Materials, 2025.