武汉纺织大学于志财&南昆士兰大学霍思奇《‌‌J. Mater. Sci. Technol.》|PEDOT双模光纤,PSS涂层Te纳米线,火灾早期检测

可靠且灵活的早期火灾预警传感器在火灾检测中发挥着关键作用，但仍是重大技术挑战。本研究将聚对苯撑双恶唑（PBO）纳米纤维与热电及热致变色（PTT）纳米功能颗粒相结合，构建出一种双模早期火灾预警传感光纤，通过视觉信号与数字信号的协同传感实现精准温度检测。这种核鞘结构的纳米级PTT传感光纤以 PBO 纳米纤维作为外层鞘层，最外层排列有钙钛矿晶体，核心则由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT : PSS）@碲纳米线（Te NWs）/聚氨酯复合热电纳米材料构成。将 PEDOT : PSS @Te NWs嵌入核心可实现毫秒级的火灾响应性能（阈值电压：1.0 mV，响应时间：≤0.9秒）以及宽温范围（50–300°C）的火灾预警能力。这种快速响应性能归功于Te纳米线（Te NWs）纳米界面异质结结构的优化，以及形成了可让纳米线穿过的导电网络，从而协同提升了塞贝克系数和导电性（S = 46.5 μV ·K⁻¹， σ = 2.05 × 10⁴ S·m⁻¹）。此外，该传感光纤通过利用比色监测技术和钙钛矿晶体在100–300°C宽温度范围内的热致变色特性，实现了独立的无电源视觉预警功能。本研究提出了一种创新方案，可开发出可靠的实时监测系统，其温度传感精度高达97.25%，适用于燃烧前阶段的早期火灾预警检测。

图1。(a)神经鞘髓鞘形成的结构示意图。(b) PEDOT ： PSS @Te纳米线的制备流程。(c)PTT传感光纤的结构设计与制备方法。（d、e）PTT传感光纤的大规模制备工艺。(f)PTT传感光纤的横截面视图。(g)PTT传感光纤的热致变色特性。

图2。（a和b）PEDOT : PSS @Te纳米线的透射电子显微镜（TEM）图像；(c) PEDOT : PSS @Te纳米线的扫描电子显微镜（SEM）图像；(d)纳米线的分散性；(e)界面组装示意图；(f)酸预处理对 PEDOT : PSS 及 PEDOT : PSS @Te纳米线导电性能的影响；(g) PEDOT : PSS 及 PEDOT : PSS @Te纳米线的 FTIR 图；（h–j）其 XPS 图。

图3. (a)传感光纤芯内纳米线的分布示意图。(b)纳米线涂层对热电材料分散性及导电路径影响的示意图。(c)能量过滤效应示意图。(d)PTT传感光纤的热电性能（S和 σ）。(e)PTT传感光纤的功率因子(PF)。(f)PTT传感光纤的电压输出灵敏度。(g)PTT传感光纤在不同温度下的电压输出。(h)PTT传感光纤的温-压关系曲线。(i–k)传感光纤的循环稳定性、弯曲稳定性和环境稳定性。

图4. (a)钙钛矿晶体掺杂示意图；(b)掺杂钙钛矿晶体的 XRD 图谱；(c)PTT传感光纤的 XPS 图谱；(d)PTT传感光纤颜色变化过程的光学图像（300–500 K）；(e)CIE-1931色度图；(f)光纤颜色变化原理示意图；(g)PTT传感光纤的PL光谱；(h)远红外光谱与温度的线性拟合曲线；(i)PTT传感光纤的灵敏度曲线；(j)PTT传感光纤的循环稳定性测试结果（100次循环）。

图5。(a)垂直燃烧试验的光学图像。(b)PTT传感光纤的截面图。(c)PTT传感光纤的导数热重分析（DTG）曲线。(d)PTT传感光纤芯层的TG与 DTG 曲线。(e)传感光纤对湿度干扰的抗性。(f)光纤应力-应变曲线。(g)光纤杨氏模量。(h)光纤最大应力与应变值。(i)光纤拉伸循环稳定性（1000次循环）。

图6。(a)火灾预警与报警示意图；(b)不同传感织物的热电预警时间；(c)PTT传感织物在100℃、200℃、300℃及火灾条件下的热电预警时间；(d)PTT传感织物的热电循环测试曲线；(e)PTT传感织物的热电预警时间；(f)PTT传感纤维热电预警时间与其他研究结果的对比；(g)PTT传感织物的视觉传感结构示意图；(h)PTT传感织物在100℃下的CIE-1931色度值；(i)PTT传感织物在100℃下的可视化传感循环测试结果。

图7。(a)人体多传感器与深度学习CNN模型架构示意图。(b)不同温度下的双模信号响应曲线。(c)双模传感的信号处理及预警逻辑流程图。（d和e）单模（热电式）与双模（热电式及热致变色式）混淆矩阵性能对比。(f)单模与双模受试者的ROC曲线下面积。(g)电子纺织材料在早期火灾预警中的应用。