消防织物在复杂而极端的环境下需要满足极高的性能要求，消防服需同时具备优异的抗冲击性能、阻燃特性、热辐射屏蔽效能与穿着舒适性。然而，传统防护织物的设计理念较为单一，导致其综合防护效能存在缺陷。例如，传统的聚酯类消防服虽具备良好的阻燃性能，但其抗冲击及抗撕裂性能明显不足。在消防救援过程中，当遭遇建筑物坍塌或高冲击载荷时，聚酯材料往往无法有效抵御外部冲击能量，导致材料破裂并造成消防员躯体损伤。而刚性防护材料虽然能提升力学强度，但会牺牲材料的柔韧性，进而影响消防员的作业灵活度。因此，设计兼具优异阻燃性能、良好力学特性及舒适性的多功能复合织物，已成为消防安全领域的研究重点。
鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙课题组、澳大利亚伍伦贡大学李卫华课题组提出了一种剪切变硬胶基异质自组装策略。该策略通过刚柔相济的模式，在基底材料表面构建仿珍珠层结构涂层，提升基底材料的力、热冲击防护能力，具有广泛的适用性。此外，氢键与动态硼氧键强化了材料的界面相互作用，使织物表现出优于现有商用织物的卓越力学性能，为消防织物难题提供了可行的解决方案。相关研究成果以“Bioinspired Flame-Retardant and Impact-Resistant Aramid Composites via Nacre-Mimetic Self-Assembly for Firefighting Applications”为题，发表在国际Top期刊《Advanced Materials》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生李子木，通讯作者为王胜副教授与龚立平博士，李卫华教授和龚兴龙教授给予了指导，研究工作的其他贡献者还有刘帅博士、王文慧、吴建鹏博士和李嘉豪。
频繁发生的火灾事故对消防员的安全构成了严重威胁，这一现实问题要求消防防护材料不断提高性能以满足消防工作需要。受贝壳珍珠母微结构的启发，本研究提出了一种异质自组装策略。该策略以氢氧化镁为砖、剪切变硬胶为泥，二者形成“砖泥结构”附着于芳纶织物表面，使其具备优异的抗冲击和阻燃能力。这展示了一种全新的生产策略，不仅提高了普通织物的力-热耦合性能，还为其在工业应用中提供了可能性。
图1 异质自组装设计
剪切变硬胶-氢氧化镁涂层的阻燃性能表现突出，当其暴露于火焰时，能够作为吸热屏障来调节温度梯度，以减缓聚合物的分解和燃烧过程。其分解产物为稳定的耐火氧化镁，能够形成具有表面保护功能的陶瓷膜。内部的珍珠层结构延长了氧气传输路径，使材料同时具备隔热和隔氧功能。此外，水蒸气减少了燃烧过程中形成的烟雾颗粒，从而抑制烟雾，提高安全性。智能材料通过吸收热量、稀释可燃气体、形成隔热隔氧层和抑制烟雾产生来阻止火焰传播。
图2 阻燃性能研究
图3 阻燃机理分析
在热防护方面，整齐排列且具有高反射性的六方氢氧化镁能够反射大量的辐射热，减少传导到人体的热量。同时，各向异性的分层结构使热量横向扩散，大幅度增加了散热面积，减少了纵向的热量传导。因此，智能材料的结构能够显著减轻热辐射对人体的伤害。
图4 热辐射防护探究
在外界冲击荷载的作用下，有序分层的有机-无机互穿双网络结构能够通过断裂和变形引发多阶段裂纹扩展演化。该异质结构迫使裂纹改变其传播路径，从而分散和消耗大部分的冲击能量。同时，基底材料层间的滑移和位错能够消耗动能，当冲击应力传播到纤维基底时，层间剪切变硬胶限制了位错变形，从而进一步提升防护效果，最大限度地保护人体。
图5 准静态力学行为
图6 高速冲击载荷防护
综上，本研究设计了一种集阻燃、热防护和抗冲击等多种功能为一体的智能消防服。在日常运动中，消防服布料轻盈柔软，能贴合身体且不影响活动。在受到爆炸冲击时，消防服能够迅速变硬，根据不同的防护需求提供最佳的防护性能，保护穿着者免受伤害。
图7 智能消防服
总体而言，本研究开发了一种剪切变硬胶基异质自组装策略，能够实现极端环境下力-热耦合多场防护，通过引入仿珍珠层结构和材料，赋予智能材料出众的力、热冲击防护能力，使其性能超越了众多商用材料。这一自组装设计策略为研发更先进的阻燃抗冲击材料提供了指导，在智能防护等众多领域具有广阔的应用前景。
原文链接：
Zimu Li, Sheng Wang*, Liping Gong*, Shuai Liu, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Jiahao Li, Weihua Li, Xinglong Gong. Bioinspired Flame-Retardant and Impact-Resistant Aramid Composites via Nacre-Mimetic Self-Assembly for Firefighting Applications. Advanced Materials 2025, 2508606. DOI: 10.1002/adma.202508606.
https://doi.org/10.1002/adma.202508606
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