来源：“Advanced Fiber Materials”公众号
在日常生活中，机械冲击对人类的安全构成了严重威胁，它极易导致骨折、脑震荡等严重的身体损伤。尽管保护膜和弹性体已经在冲击防护领域得到了广泛使用，但其平面属性限制了佩戴的舒适性，而且缺乏实时冲击检测功能，这在很大程度上限制了其在可穿戴领域的应用。
近期，中国科学技术大学龚兴龙教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“A Robust Core-Shell Structured Fabric with Integrated Personal Protection and Visualized Monitoring for Smart Protective Textiles”的研究成果。该研究开发的基于剪切变硬胶的力致发光防护纤维，其核壳结构赋予纤维应变增强和动态监测性能，编织成织物后可吸收超90%的冲击能量，优于商用防护材料。纤维在拉伸、压缩和冲击等机械刺激下会产生特征性发光响应，构建的传感矩阵能可视化定位冲击位置，且响应时间仅为6 ms，使其在运动防护等需要快速冲击响应的场景中展现出独特优势。正文该工作采用湿法纺丝和涂层策略，以剪切变硬胶/热塑性聚氨酯（SSG/TPU）作为剪切变硬芯材，ZnS:Cu/PDMS（PDMS为聚二甲基硅氧烷）作为力致发光鞘，制备了一种基于SSG的高弹性、轻质且稳定的力致发光核壳结构纤维（ML-TPS），如图1所示。当ML-TPS纤维受到拉伸刺激时，力致发光层会在拉力的作用下发出明显绿光，从而实现动态力学信号的可视化转换。
图1 ML-TPS纤维的制造和表征
图2展示了ML-TPS纤维的力学性能及涂层工艺对发光均匀性的影响。SSG的引入使ML-TPS纤维在拉伸、压缩等力学载荷下展现出显著的应变增强效应，使其在冲击防护领域具有潜在应用价值。此外，涂层工艺的优化可促使材料表面形成均匀的力致发光层，有效改善应力分布的均匀性，避免因局部应力集中导致的发光衰减或不均匀现象。
图2 ML-TPS纤维的力学性能与有限元仿真分析
图3研究了ML-TPS纤维的拉伸发光性能。ML-TPS纤维在拉伸过程中，轴向与圆周发光强度分布均匀，可实现动态可视化传感。同时，该纤维具有优异的应变和速率感知性能，可线性感知外部拉伸应变和速率。ML-TPS纤维表现出优异的拉伸发光稳定性，在4000次拉伸循环后仍保持优异的发光显示性能。此外，外层PDMS赋予ML-TPS纤维良好的防水性，使其适用于水下环境的可视化传感，为开发基于拉伸形变的远程实时可视化显示技术奠定了基础。
图3 ML-TPS纤维的拉伸发光感知特性
ML-TPS纤维可通过实时光反馈感知外部机械刺激，如图4所示。随手指压力的增加，其ML强度相应增强，且能与摩尔斯电码结合，无需电子元件即可用于传感与信息交互，空间分辨率达0.5 cm。进一步通过经纬编织构建的ML-TPS传感矩阵，在重物放置时可精准定位外部压力及其分布，实现了外部压力的高效定位、监测与预警。
图4 基于ML-TPS的视觉感知矩阵
图5聚焦于ML-TPS纤维经纬编织织物的冲击防护性能。该织物通过衰减峰值冲击力并延长缓冲时间，实现高效冲击防护，能显著降低约72%的冲击力，消散超90%的冲击能量。此外，织物内部的多孔结构使其兼具优异的隔热性能，适用于复杂的力热耦合环境。与商用防护材料相比，ML-TPS织物展现出更优的冲击衰减能力，能成功保护ITO玻璃免受落球冲击的破坏。
图5 ML-TPS织物的抗冲击性能
ML-TPS织物独特的力致发光特性使其可用于动态监测冲击过程，如图6所示。在落锤冲击实验中，ML-TPS织物展现出优异的力致发光可视化性能，其ML强度与冲击能量高度相关，可精准定量评估冲击强度。这种智能监测的特性为动态冲击防护系统的可视化预警提供了全新思路。
图6 ML-TPS织物的冲击可视化
图7展示了ML-TPS纤维的应用前景。该纤维具有高柔韧性，可编织成纺织品，在黑暗中拉伸时会发光且具备防水性，可作为兼具冲击保护与损伤预警功能的防护装备。纤维能无源响应应变，缝入织物后可监测人体动作，并且具有良好的亲肤性，集成到头盔的像素矩阵中能实时可视化颅脑冲击位置与强度，在运动防护等场景中具有重要的应用价值。
图7 力致发光显示和视觉预警
综上所述，该研究通过湿法纺丝和涂层策略，成功制备了兼具冲击防护与视觉预警功能的核壳结构ML-TPS纤维。剪切变硬核心层显著提升了织物的抗冲击性能，可高效耗散冲击能量并有效降低冲击力峰值。力致发光外壳层实现了无源可视化监测机制，能够精准定位外部机械刺激位置。同时，已验证其在人体运动监测、水下传感等多场景的应用潜力。该功能织物赋予可穿戴设备实时动态传感能力，为下一代智能防护可穿戴装备的研发提供了创新范式。
中国科学技术大学工程科学学院硕士研究生段世龙为本文的第一作者，中国科学技术大学龚兴龙教授、桑敏副研究员和刘帅博士后为本文的通讯作者。
课题组简介
龚兴龙：教授，博导，中国科学技术大学工程科学学院近代力学系，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室主任。从事智能材料和实验固体力学中的先进测量方法、技术与应用。国家杰出青年科学基金获得者，享受国务院政府特殊津贴。发表论文400余篇，连续5年入选Elsevier发布的“中国高被引学者榜单”。
桑敏：副研究员，中国科学技术大学工程科学学院近代力学系。从事多功能智能复合材料的力学行为设计及其在减振、传感、防护、电磁屏蔽和智能穿戴中的应用研究。发表论文20余篇。主持国家博士后科学基金、基金委青年基金和军科委项目。
刘帅：博士后，中国科学技术大学工程科学学院近代力学系。从事抗冲击复合材料结构设计相关研究。
原文信息：Shilong Duan, Min Sang*, Shuai Liu*, Tongxin Nie, Jiajun Yu, Purun Wang, Yunpu Zhao, Zimu Li, Zhihao Hu, Xinglong Gong*. A Robust Core-Shell Structured Fabric with Integrated Personal Protection and Visualized Monitoring for Smart Protective Textiles. Adv. Fiber Mater., 2025, 7, 1830. https://doi.org/10.1007/s42765-025-00582-1