火灾作为全球性重大公共安全威胁，每年导致大量人员伤亡与严重经济损失。当前消防防护装备普遍依赖被动阻燃与隔热机制，难以实现火灾风险的实时感知与早期预警，在复杂火场环境中存在显著局限。MXene等二维材料虽在高温传感领域展现出潜力，但其层间作用力弱、高温易氧化等问题制约了其实际应用。

  近期，西安工程大学樊威教授团队基于仿生学原理，成功研制出一种模仿向日葵茎秆结构的同轴MXene纤维（CoaxMXeneFib），在材料结构设计与环境耐久性方面取得重要进展，为智能主动防护系统的发展提供了新材料基础。

  2026年2月11日，该工作以“A Bioinspired Coaxial Semiconductor Fiber for Durable Fire Warning”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。第一作者为西安工程大学硕士研究生杨金，共同第一作者为四川大学王芳副研究员和西安工程大学张勇副教授，通讯作者为西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室主任樊威教授。

图 1：受向日葵茎秆启发的CoaxMXeneFib核?鞘结构设计

  向日葵茎秆具有独特的“刚柔并济”多级构造：内部柔软多孔的髓芯负责储能与物质传输，外部致密坚硬的皮层提供力学支撑与保护，二者通过动态界面实现高效协同。研究团队借鉴这一自然结构，采用同轴湿法纺丝技术，构建了以PVA/MXene复合材料为芯层、模仿髓芯蜂窝结构的温度传感单元，并在外层引入功能性阻燃剂作为保护鞘层，兼具力学增强与抗氧化功能。芯?鞘界面通过硼酸交联形成动态共价网络，显著提升了整体结构稳定性。与现有高温预警纤维相比，CoaxMXeneFib在拉伸强度、预警响应循环次数及持续工作时间等性能上均有显著提升，体现了仿生设计在多功能纤维材料中的有效性。

图 2：PVA-MTHPS-PCD与CoaxMXeneFib的化学结构表征与界面增强机制

  微观分析表明，PVA与MXene之间存在强氢键作用，同时硼酸与PVA发生酯化交联，形成“氢键?共价键”双重网络界面。XPS光谱中硼元素特征峰的出现及其结合能偏移，证实了硼酸酯键的成功构筑；O 1s 和 C 1s 谱图进一步揭示了界面化学键合与氢键协同效应。宏观力学测试显示，交联后纤维界面结合牢固，摩擦行为稳定，展现出良好的结构完整性。这一多尺度化学设计为纤维在极端环境下长期稳定工作提供了基础。

图 3：CoaxMXeneFib的阻燃与抑烟性能分析

  该纤维极限氧指数达44.6%，垂直燃烧60秒后仍保持结构完整，损毁长度仅0.5cm且快速自熄，高温下分解延迟，残炭率为39.1wt%，显著优于纯PVA纤维。其峰值热释放速率、总热释放量及总烟释放量分别降低18.1%、35.2%与6%，火灾危险性显著下降。燃烧后形成致密连续膨胀炭层，可有效阻隔热与氧；XPS与Raman分析表明，MXene催化聚合物基体碳化，提升了炭层石墨化程度。该体系通过凝聚相催化成炭与气相自由基捕获的协同机制，实现高效阻燃。

图 4：CoaxMXeneFib在复杂环境下的火灾预警性能与耐久性评估

  在390℃高温下，纤维电阻在1.97秒内由32.5kΩ急剧降至60Ω，触发报警并持续105秒；直面火焰时响应时间为1.89秒。经15000次摩擦、1000次弯曲及30次洗涤后，其预警响应仍稳定在2秒左右，水接触角达106.5°，表现出良好的机械耐久性与疏水性。在酸、碱、溶剂及紫外?高湿等严苛环境下，纤维结构完整，性能未见明显衰减，并可持续承受12次以上火焰循环测试，显示出突出的环境稳定性与循环可靠性。

图 5：CoaxMXeneFib对热?电性能的稳定作用及预警机理

  火焰作用后，CoaxMXeneFib芯层形成鱼鳞状结构并转化为互连导电网络，而单一MXene纤维则严重氧化，证实鞘层可有效隔绝氧气与水分。霍尔效应测试表明，燃烧后纤维呈现n型半导体特性，载流子浓度与迁移率均高于对比样品。变温霍尔分析进一步显示，在200–400℃区间内，C/N?TiO?网络载流子浓度显著上升，晶格散射受掺杂效应抑制，载流子迁移加速，从而迅速建立导电通路、触发预警。在80℃环境中放置10天，其电阻率仅增长16.65%，高温氧化稳定性显著优于普通MXene纤维。凭借卓越的耐磨、耐洗和耐高温氧化性能，CoaxMXeneFib 可缝制于消防服，还能与微控制器及物联网通信结合，构建远程无线火灾报警平台，2 秒内触发报警并同步至终端设备，为智能消防系统提供核心材料支撑。

  基于其优异的耐磨、耐洗、耐高温氧化及持续预警能力，CoaxMXeneFib可集成于消防服，并结合微控制器与物联网通信模块，构建实时无线火灾报警系统，实现2秒内火情识别与信息同步推送，为发展智能化、主动式消防防护系统提供了可行的材料解决方案。

  源自向日葵茎灵感的 CoaxMXeneFib，通过结构仿生、界面强化和多元协同机制，集超快预警、高效阻燃、机械坚韧和环境耐久于一身，成功突破了传统材料的诸多局限。未来，它将在智能消防服、火灾预警系统等领域发挥重要作用，为保障消防安全注入全新动力，推动消防防护从被动防御向主动预警跨越。

  该工作得到国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金、陕西省自然科学基金与陕西省高校青年创新团队基金的支持。

  文章链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202530615