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化学进展 ›› :0- DOI: 10.7536/PC20260421
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碳纳米材料在织物改性与功能服装设计中的应用进展

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Progress in Carbon Nanomaterial Modified Textiles for Functional Clothing Design

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摘要

随着功能服装向轻量化、智能化和多功能化发展，具有优异结构与功能特性的碳纳米材料在织物改性中的应用受到广泛关注。本文综述了石墨烯、碳纳米管、碳量子点及 MXene 等材料在功能服装中的研究进展，重点总结了其在力学增强、导电与电磁屏蔽、光学调控及热管理等方面对织物性能的提升及相关机理。这类材料主要通过改善界面结合、构建功能网络和增强光热电响应，推动织物向防护、传感和热调控等功能服装方向发展。尽管碳纳米材料在该领域已展现出良好的应用潜力，但在耐久性、安全性、规模化制造和构效关系研究方面仍存在不足，未来需加强材料改性与服装结构设计的协同优化，以促进其实际应用。

Abstract

As functional garments continue to evolve toward lightweight, intelligent, and multifunctional systems, carbon nanomaterials with outstanding structural and functional characteristics have attracted considerable attention for textile modification. This review summarizes recent research progress on graphene, carbon nanotubes, carbon quantum dots, and MXene in functional clothing, with emphasis on their contributions to mechanical enhancement, electrical conductivity and electromagnetic interference (EMI) shielding, optical regulation, and thermal management, as well as the underlying mechanisms responsible for these improvements. These materials primarily enhance textile performance by improving interfacial interactions, constructing functional networks, and strengthening photo-thermal-electrical responses, thereby promoting the development of advanced garments for protection, sensing, and thermal regulation. Although carbon nanomaterials have demonstrated significant application potential in this field, challenges remain in durability, safety, scalable manufacturing, and the understanding of structure-property relationships. Future research should focus on the synergistic optimization of material modification and garment structural design to facilitate practical applications.

Contents

1 Introduction

2 Latest research progress

3 Function-enhancing properties and mechanisms enabled by carbon nanomaterials

3.1 Mechanical strength and durability

3.2 Electrical conductivity and electromagnetic interference (EMI) shielding capability

3.3 Spectral and thermal management performance

4 Design and application prospects of carbon nanomaterial-modified fabrics in mechanical protective clothing

4.1 Bulletproof vests

4.2 Stab-resistant clothing

5 Design and application prospects of carbon nanomaterial-modified fabrics in sensing and monitoring clothing

5.1 ECG monitoring clothing

5.2 Respiratory monitoring clothing

6 Design and application prospects of carbon nanomaterial-modified fabrics in temperature-regulating clothing

6.1 Electrically heated clothing

6.2 Phase-change temperature-controlled clothing

7 Summary and outlook

关键词

碳纳米材料 / 功能服装 / 服装结构设计

Key words

carbon nanomaterials / functional clothing / garment structural design

引用本文

引用格式 ▾
周开宁, 孟旭辉, 宋凯龙, 江吉周. 碳纳米材料在织物改性与功能服装设计中的应用进展[J]. 化学进展, , (): 0 DOI:10.7536/PC20260421
Kaining Zhou, Xuhui Meng, Kailong Song, Jizhou Jiang. Progress in Carbon Nanomaterial Modified Textiles for Functional Clothing Design[J]. Progress in Chemistry 0 DOI:10.7536/PC20260421

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1 引言

在现代社会，碳纳米材料，如富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳量子点以及MXene已逐步从高端专用领域向更广泛的民用与消费产品领域拓展。这一转变既反映了相关材料技术成熟度的提升，也体现了社会对多功能、高性能材料需求的持续增长。自1985年富勒烯[1]被首次发现以来，碳纳米管（1991年）[2]、单层石墨烯（2004年）[3]、碳量子点（2004年）[4]及MXene（2011年）[5]等碳纳米材料相继问世（图1A）。这些材料凭借其优异的物理化学性质与可调控功能特性，已成为学术界与工业界关注的研究热点。

随着制备与加工技术的不断突破，此类纳米材料的规模化生产及纺织品集成应用愈发可行。例如，Bae等[6]（图1B）开发的卷对卷化学气相沉积（CVD）技术，成功制备出30 英寸（1 英寸=25.4 mm）大面积连续石墨烯薄膜，为其工业级应用奠定了基础；Zhang等[7]实现了垂直排列单壁碳纳米管（SWCNT）阵列的高产率合成，为规模化制备提供了理论支撑与技术参考。在纺织领域，Shim等[8]将碳纳米管涂覆于棉纱表面，制备出可编织电子纱线，为可穿戴传感器的开发提供了新思路；Karim等[9](图1C) 则提出了石墨烯涂覆织物的规模化生产工艺，所制备的复合材料兼具优异的耐洗性、柔韧性与力学性能。当前，碳纳米材料的研究已步入成熟阶段，研究重心正逐步转向纺织复合材料的合成制备、表面功能化修饰及综合性能优化[10-17]。

值得关注的是，纱线、纤维等核心纺织组分的碳纳米材料改性技术已得到充分验证，研究焦点开始向服装功能的创新重构延伸，碳纳米材料由此催生了突破传统穿着属性的新型功能性服装。早在10余年前，Krucińska等[18]便率先开展实际应用探索，将碳纳米管改性织物用于手套、胸带等可穿戴原型产品(图1D)；Zhong等[19]随后制备出首款完整尺寸的功能服装——碳纳米管增强商业棉纱基发电衬衫，可满足可穿戴电子设备的供电需求(图1E)。在防护服领域，通过对凯夫拉纤维进行原位石墨烯改性，实现了对危险气体的实时检测，显著提升了防护装备的实用效能[20]（图1F）。

该类纳米材料的独特性能为功能服装的多元化发展提供了广阔空间，可实现导热散热[26]、阻燃[27]、抗菌[28]、抗紫外[29]、导电[30]及光致发光[31]等多种功能强化。目前，英国品牌Vollebak[25]推出石墨烯系列服装，包括夹克、羽绒服和T恤等产品（图1G），其设计主要利用石墨烯的热传导与热调控特性，以改善服装的保温性和热舒适性。Reebok于2021年发布热功能服装系列，通过印刷石墨烯网格结构实现局部热调控；Graphite Central则基于石墨烯的抗菌特性，开发了面向运动人群的功能性袜子产品。伴随市场化进程的推进，碳纳米材料在服装织物性能提升领域受到持续关注，功能性服装的结构设计理念也因新型材料的引入而不断拓展。然而，现有研究多集中于碳纳米材料对纤维或织物层面单项性能的改善，如力学增强、导电、光学调控及热管理等，而对这些性能如何进一步转化为实际服装中的结构设计依据、功能实现方式和应用价值仍缺乏系统总结。特别是，力学增强性能如何服务于防护服装的减重与吸能设计，导电传感性能如何满足人体运动与生理信号监测需求，电热响应和相变储热改性如何用于服装热舒适性调控，仍需要进一步梳理。因此，当前该领域不仅需要关注织物性能本身的提升，也需要进一步明确碳纳米材料改性织物在具体功能服装中的应用方式、设计逻辑和实际转化瓶颈。

基于此，本文首先总结碳纳米材料在纺织材料中的最新技术应用进展；其次分析其在机械强度与耐久性、导电性及电磁防护性能、光-热管理性能等关键领域的功能提升效应及相关作用机理；进而探讨这些功能材料在成衣设计与应用方向的潜力，重点讨论力学防护服、导电传感服、电加热服装以及相变热调控服装等代表性应用场景（图2）。通过整合近期研究成果，本文旨在建立碳纳米材料改性、织物性能提升与功能服装应用之间的联系，为碳纳米材料改性织物在功能服装中的设计应用提供系统参考。

2 最新研究进展

近10年来，随着碳纳米材料在服装织物改性领域的研究持续深入，如何通过规模化织物处理技术（浸染、涂层及先进墨水配方优化等）实现石墨烯的高效集成，成为了重点攻关课题之一。例如，采用常规浸涂法将氧化石墨烯负载于不同克重的棉水刺非织造布表面，并经连二亚硫酸钠化学还原制得还原氧化石墨烯涂层非织造布，结果表明该处理可在保持材料轻质特征的同时赋予织物导电性、疏水性和紫外防护等多种功能[32]。另外，Afroj等[33]开发的石墨烯涂覆涤棉电子纺织品，展现出超低片电阻、优异机械柔性及良好的织物手感，且经10次机洗后仍能保持稳定导电性，为舒适型多功能服装的实际设计与集成提供了可行方案。截至2025年，通过石墨烯基墨水配方优化与印刷工艺改进，可穿戴电子纺织品的性能得到显著提升，关键研究进展包括：用于纺织热电发电的全丝网印刷p-/n型功能墨水研发、通过聚氨酯涂层增强丝网印刷石墨烯墨水的耐洗性、优化聚合物与石墨烯墨水界面应力传递以提升纺织基底的循环稳定性，以及水基环保型石墨烯导电织物的制备技术突破，最终实现了更具耐久性、柔性与可持续性的服装应用[34-37]。

另一方面，近年来碳纳米管（CNT）在服装设计中的集成应用，通过先进表面功能化修饰与杂化复合策略，将服装织物的功能从普通穿着提升到了功能化智能化的层面。共价接枝、非共价包覆及聚合物包封等化学改性方法，有效改善了CNT在纺织基体中的分散性与界面结合强度，使柔性复合材料具备优异的拉伸强度、电导率与耐洗性，这对于设计型及自适应服装中嵌入式电子元件的稳定工作至关重要[38-39]。在防护服领域，文献表明，使用S-ST与多壁碳纳米管协同改性后，优化织物在准静态刺入测试中的最大抗力由9.5 N提高到18 N，刀刺穿透所需最大冲击能提高到11.76 J、较原始织物提升50%；在动态冲击测试中，最大抗力达到1052 N、较原始提升约190%，说明其防刺与抗冲击防护能力均得到显著增强[40]。此外，经致密化、加捻等后处理技术制备的高性能CNT纱线，具有良好的导电能力，可作为导电功能单元应用于高级时装，实现多功能服装中的实时生理监测、精准热调控与能量采集功能[41-42]。截至2025年，CNT在服装中的应用进入新阶段：随着超长CNT制备技术的逐步成熟，其已成功直接应用于纱线纺制与织物织造过程，实现了服装的远程控制功能及无线实时健康监测[42]；通过包覆技术构建的CNT/聚氨酯（PU）复合纺织纤维，显著增强了材料的防护性能与传感灵敏度[43]；在织物印刷工艺方面，Bae等[44]创新性地将CNT与无颗粒反应型银墨水复合，实现了对纤维素织物的高效喷墨印刷，同时兼顾了印刷功能层特性与织物本征性能。

作为典型的二维过渡金属碳化物材料，MXene在纤维及服装相关领域的应用发展迅速。无添加剂液晶型 Ti3C2Tx-MXene墨水的研发成功，使湿法纺丝制备高取向、高电性能纤维成为可能，该类纤维可直接集成于储能、焦耳加热等功能服装中[45]。在智能服装与可穿戴电子领域，Inman等[46]基于MXene水性墨水在织物表面构建了服装集成式能量网格，该网格可集成无线充电线圈与超级电容器，实现实时环境传感、全MXene表面肌电传感器数据传输及直接焦耳加热等自供能功能，为无电池纺织电源系统的实际应用奠定了基础。此外，2025年最新研究采用MXene墨水气溶胶喷射印刷技术，实现了柔性高性能储能器件在织物表面的直接制备，该类器件可规模化集成耐久型超级电容器用于可穿戴电子设备，且具备稳定的电化学性能、优异的耐洗性与形变下的机械柔性，为无电池智能服装在健康监测、集成供能系统等领域的应用铺平了道路[47-48]。

除MXene外，近10年来碳点（CDs）及碳量子点（CQDs）作为无毒替代材料，在服装材料功能化领域展现出巨大应用潜力。作为生物相容性优异的无毒纳米材料，CQDs已成功集成于棉织物中，制备出兼具抗菌、光致发光与紫外线防护性能的多功能服装材料。负载CQDs的阳离子化棉织物经多次洗涤后，仍能保持强效抗菌性、稳定荧光发射特性与可靠的紫外屏蔽性能，适用于需严格感染控制的医疗服装，以及对隐身性能、紫外线防护性能与抗菌性能均有要求的军用服装，展现出下一代功能服装的广阔应用前景[49-50]。此外，最新研究通过环保提取工艺（无需有毒化学品）从棉废料中制备CQDs，实现了高产率、规模化生产；将其应用于阳离子化棉织物时，可赋予材料持久的多功能特性，如优异的紫外防护性能（UPF>50）与显著的抗菌活性（对金黄色葡萄球菌的抑菌率>88%），且经多次洗涤后性能保持稳定，适用于医疗与防护服装领域[17,51]。同样，通过二硫代苯甲酸与三聚氰胺一步水热法合成的超疏水碳量子点（SCQDs），可在织物表面形成耐久型自清洁涂层，该涂层具有卓越的拒水性（接触角达163.64º），且在低倾角下仍能保持稳定孔隙结构，适用于医疗与户外服装[52]。此外，假冒服装问题日益严峻（2013年全球假货贸易额已达4610亿美元，占世界贸易总额的 2.5%）[53]，技术进步虽降低了制造成本，却也凸显了防伪标识在供应链监控与品牌知识产权保护中的重要性。由于CQDs具有无毒特性与独特光学性能，其被用作服装安全油墨实现多色防伪编码[54]，为时尚供应链提供了可靠的防伪解决方案，同时为服装真伪验证提供了柔性光电技术支撑。值得注意的是，其他碳基纳米材料（如最早被发现的富勒烯）在服装领域的应用潜力尚未得到充分挖掘，目前相关研究主要集中于将富勒烯与石墨烯复合，以增强材料对汗液特征分析的离子响应能力[55]。

综上，近10年来，石墨烯、CNT、MXene及CQDs等纳米材料通过显著提升纺织品的综合性能，实现了各种不同特性的服装织物材料创新与设计革新。在上述研究进展基础上，本文将进一步聚焦纳米碳材料对织物性能提升中最有望在真实服装体系中实现规模化应用的3个关键方向：力学与耐久性增强、导电与电磁屏蔽性能以及光-热管理性能，并围绕其关键性能参数及作用机理展开讨论。

3 碳纳米材料赋予的功能增强特性及其机理

3.1 力学强度与耐久性

将碳纳米材料引入服装与纺织结构，已成为提升机械强度、耐磨性以及在反复形变与使用条件下长期耐久性的有效途径。例如，CNT凭借其优异的本征力学性能及一维高长径比结构，被广泛用于增强纺织与服装材料的力学性能与服役稳定性[56]。当碳纳米管通过有机化合物与棉纤维结合后，改性棉纤维的力学性能显著提高。Abd El-Hady等[57]的研究表明，改性棉纤维的拉伸强度可达78 kgf（1 kgf=9.80665 N），较未改性的纯棉纤维材料（55 kgf）提升超过41%。同样，Liu等[58]采用浸涂法将碳纳米管负载于棉纤维表面，SEM如图3A(a~f)所示，改性织物表现出明显增强的力学性能，包括最大拉伸力与最大撕裂力的提升。当处理乳液中CNT含量由0%增至5%时，经向最大拉伸力由650.5 N提高至792.4 N，而经向最大撕裂力由720.8 N提高至1082.7 N（图3A(g~j)）。通过SEM图(图3A(a~f))可以看出，CNT对棉纤维的增强作用主要源于其通过浸涂在纤维外部形成致密互联的保护层，类似于通信导线中的金属网屏蔽结构，从而促进CNT均匀分布并通过聚合物锚定，实现有效应力传递。该包覆结构可显著提高棉织物的整体耐久性，如断裂强度与抗撕裂性能，并随CNT含量增加而进一步增强[58]。不仅如此，CNT在对化学纤维的机械性能增强上也有显著的表现。具体来说，将带有羧基官能团的多壁碳纳米管（MWCNT）加入尼龙66（PA66）中共同熔融纺丝，碳纳米管在纤维中的分布可由SEM图显示（图3B(a~d)），在质量分数1%的添加量下即可实现断裂强度提升40%的可观效果（图3B(e)），且有类似研究证明同样的添加量可提升材料拉伸强度48.8%。其研究表明碳纳米管对PA66的力学增强并非来源于晶型或结晶度（图3B(g)）的改变，而主要归因于加工过程中界面结构的重构。在高拉伸比熔融纺丝条件下，材料在基体中实现更均匀分散与取向排列，同时诱导PA66分子链在其表面发生外延结晶生长，形成稳定的界面晶体桥接结构（图3B(h~i)）。该结构显著提升界面剪切强度与应力传递效率，从而实现强度与模量的协同提升[59-60]。另外，在对本征强度很高的芳纶纤维改性时，通过非破坏性分散的长单壁碳纳米管（SWNT）作为取向种子，可在极低添加量（质量分数为0.025%）下显著提升纤维的结晶度、取向度与界面载荷传递效率，使抗拉强度提高22%、断裂伸长率提高23%，其强度增强效率，即单位CNT添加量所带来的相对强度提升，达到893.6，说明极低含量SWNT即可显著提升聚对苯并咪唑-对苯二甲酰胺（PBIA）纤维的力学性能，体现了结构调控主导的超高效增强机制[61]。另一方面，Alimohammadi等[62]以折皱回复角评估CNT改性棉织物抗皱性能。结果显示，原始棉织物为109.9°，交联处理为140.4°；CNT负载100~1500 ppm（1 ppm=1×10-6）时为93.4°~145.6°。总体而言，低负载CNT改性效果弱于交联处理，但当含量≥250 ppm后，其抗皱性能已优于未改性棉织物，并在1500 ppm时达到最佳，且已超越交联处理后的棉织物。

除了CNTs 外，近年来，石墨烯及其衍生物作为二维高强度纳米增强相，被系统引入天然纤维、合成纤维及织物涂层复合体系中，用于提升服装织物的机械强度、刚度及综合韧性。研究表明，在合理的引入方式与添加量条件下，石墨烯可在不同材料体系中产生稳定且可重复的力学增强效果。在天然蛋白纤维方面，通过向家蚕投喂含石墨烯的桑叶，可实现石墨烯在蚕丝中的原位引入，使蚕丝断裂强度由0.36 GPa 提升至约0.57 GPa，断裂伸长率由9.39%增至10.33%，韧性模量提高至 3.80 GJ/m3，而过量引入则导致强度与延展性同步下降[63]；结构表征结果表明，石墨烯部分嵌入丝素蛋白内部，抑制其由无规卷曲/α-螺旋向β-折叠结构的过度转变，从而在保持高强度的同时提升断裂延展性[64]。进一步研究指出，氧化石墨烯投喂会使蚕丝沿纤维长度不同区段表现出差异化的力学响应，其中部分区段的拉伸强度和杨氏模量更高；与此同时，GO处理丝纤维还表现出更厚的介相区以及更高的α-螺旋/无规卷曲含量[64]。在合成纤维体系中，将多巴胺改性还原氧化石墨烯引入尼龙6（PA6）基体并进行熔融纺丝，当填料质量分数为0.15% 时，复合纤维的拉伸强度和杨氏模量分别提升至310.4 MPa和462.3 Mpa，均显著高于纯PA6纤维[65]；其增强机理主要归因于多巴胺改性层显著改善了石墨烯在PA6基体中的分散状态，并通过氢键作用及分子链缠结增强填料与尼龙分子链之间的界面相互作用，从而促进应力在界面处的有效传递。同时，均匀分散的 PDA-rGO 片层在一定程度上可作为异相成核剂，提高PA6的结晶度[66]。另外，在石墨烯涂覆在芳纶纤维上，由于石墨烯与纤维之间的氢键及π-π堆积互相作用，建立了界面桥接，使芳纶纤维的拉伸强度增加了1 GPa[66]。在织物及涂层复合体系中，石墨烯同样展现出有效的力学增强作用，例如在聚氨酯涂层芳纶织物中，单一PU涂层会降低织物撕裂强度，而加入质量分数为0.5% 石墨烯后，织物撕裂性能得到明显恢复并满足EN469防护服标准要求[67]；此外，通过水性石墨烯纳米片分散体系对棉织物进行多次浸涂处理，可使其拉伸强度提升约60%，SEM与Raman结果证实石墨烯在纤维表面的高附着性及良好界面结合是力学性能提升的关键因素[68]。总体而言，现有文献一致表明，石墨烯通过结构嵌入、界面增强及分子构象调控等机制，在多类服装织物中实现了多维度机械性能提升；然而，其增强效果对引入方式、分散状态及添加量窗口高度敏感，过量或界面失配可能削弱力学性能，这一问题在服装级大面积、可重复加工应用中仍需进一步系统研究。

此外，现有研究表明，MXene在纺织改性体系中多通过与其他增强组分的协同作用实现力学强化。相关工作显示，其增强效果主要源于协同组分对MXene分散状态与涂层结构的调控，并通过界面氢键及多尺度界面作用增强MXene与纤维之间结合，从而提升载荷传递效率[69-71]。例如，MXene/CNF仿贝壳层状复合纸表现出高拉伸强度（135.4 MPa）[69]；MXene/CNC滴涂棉织物体系中拉伸强度达63.2 MPa、断裂伸长率约30%[70]；MXene/Cu改性棉织物亦表现出较高强度与延展性[71]。总体而言，MXene在纺织体系中更多作为协同功能组分参与结构构筑，其力学增强效应主要依赖界面协同作用实现。

除MXene外，碳量子点和碳点（CQDs, and CDs）作为一类兼具尺寸效应与表面官能化特性的纳米材料，也在提升传统纤维机械性能方面展现出显著潜力。Deb等[73]以壳聚糖为碳源合成CDs，并将其通过溶液浸渍方式固定于棉织物结构中。力学测试结果显示，当CDs少量掺杂时，棉片的断裂强度由2.24 MPa显著提升至7.11 MPa。其增强效应主要源于CDs与纤维素分子链之间构建的多点氢键与静电相互作用，有效提升界面结合强度；同时，CDs填充纤维间孔隙、增强织物致密性，进一步抑制了微裂纹的萌生与扩展。Chen等[72]将碳点（CDs）作为纳米填料引入热塑性聚氨酯（TPU）与聚酰胺66（PA66）基体(图3C)，通过微流控电纺技术构建出具有高强度特性的柔性复合纳米纤维膜。在质量分数为8%掺杂下，TPU纳米纤维膜的拉伸强度由3.0 MPa提升至8.6 MPa（提升2.9倍），断裂伸长率从13.4% 提升至22.3%（提升1.7倍）；PA66纳米纤维膜的拉伸强度由3.9 MPa提高至16.1 MPa（提升4.1倍），断裂伸长率从14.6%提升至28.4%（提升1.9倍）。研究表明，CDs表面富含羟基、羧基等极性官能团，可与TPU、PA66分子链中的酰胺基等形成强氢键及静电作用，这些相互作用使聚合物分子链更为刚性且不易断裂，从而提高纳米纤维的力学强度；但当CDs质量分数超过8%时，过量CDs会引发π-π堆积、范德华力等相互作用，破坏CDs与聚合物基质的作用力平衡，导致增强效果下降。此外，Chen等[74]还以连翘为前体合成碳点（F-CDs），并将其掺杂入尼龙11中，通过静电纺丝制备纳米纤维膜。结果表明，当F-CDs质量分数达到10%时，纤维拉伸强度由7.5 MPa提升至16.6 MPa，断裂伸长率由39%提高至125%。这一增强主要归因于F-CDs表面富含极性基团，可与聚酰胺分子形成良好的界面相容性及氢键作用；这些氢键不仅提供丰富结合位点以承受拉伸过程中的机械应力，同时还可作为“牺牲键”耗散能量，从而提升材料的强度与韧性表现。

综上可见，此类纳米材料在服装用纤维和织物中的引入，显著提升了材料的拉伸强度、断裂韧性与耐久性，从整体机理层面看，碳纳米材料对服装与纺织结构的力学强化可归纳为“结构构筑-界面耦合-应力调控-能量耗散”四级协同机制。首先，在结构层面，CNT、石墨烯及MXene等通过高长径比或二维片层特征在纤维内部或表面构建连续或准连续增强骨架，在熔融纺丝等取向加工条件下进一步诱导填料与聚合物链协同取向，并促进外延结晶或异相成核，从而形成稳定的多尺度承载结构。其次，在界面层面，碳纳米材料通过氢键、π-π作用、范德华力及分子链缠结等多重相互作用建立强界面耦合，显著提高界面剪切强度与载荷传递效率，是实现高效强化的核心。再次，在应力调控层面，均匀分散并取向排列的纳米填料能够有效抑制应力集中、延缓裂纹萌生，并通过界面桥接与裂纹偏转机制提高断裂抗力。最后，在耗能层面，CDs/CQDs 等含丰富极性官能团的纳米填料可通过多点可逆氢键与界面滑移形成“牺牲键”耗散体系，使材料在保持高强度的同时获得更优韧性。总体而言，现有研究一致表明，碳纳米材料对服装织物的力学强化本质上源于多尺度结构构筑与界面协同调控，但其增强效果仍高度依赖分散状态、取向程度及添加量窗口，在面向大面积、可重复加工的服装应用中仍需进一步系统优化。

3.2 导电性及电磁防护（EMI）能力

碳纳米材料不仅在增强材料机械强度上有着优良的表现，其凭借独特的导电结构与高比表面积，在织物中可构建稳定连续的导电网络，为实现柔性导电与EMI功能提供了有效手段。对于碳纳米管来说，一方面CNTs自身或者添加助剂后可与织物纤维间可通过范德华力[75]、氢键[76]以及强π-π 相互作用[77]，形成稳定的界面网络。例如，通过对棉织物进行多巴胺涂层处理，可增强CNTs与纤维之间的界面黏附能力，使其不易脱落或重新聚集，同时辅以PFOTES封装固定，显著提升导电网络的稳定性和抗机械扰动能力。其EMI屏蔽能力为达到22 dB（6.57~9.99 GHz）以及23 dB (11.9~18 GHz) 在此基础上构建的CNT导电层即使在反复弯折后仍维持低电阻水平（110~115 Ω/sq），并在GHz频段实现以吸收机制为主的屏蔽效应[77]。另一方面，采用原位连续纺制技术形成的CNT纤维无纺布，凭借高度交联的“袜子层”结构，使CNT在微米尺度上形成三维多向导电通路，在高频（如70 GHz）下展现出极高的屏蔽性能（>120 dB）。其厚度归一化屏蔽效能（SE/t）超过2×104 dB/cm，基于Schelkunoff理论分析，其屏蔽机制在低频，以电导驱动的反射损耗为主，而在高频主要受厚度依赖的吸收损耗主导[78]。此外，CNT在织物中的分布形态决定了宏观导电路径的连通性与均匀性，进而显著影响整体导电性与屏蔽效率。有相关研究指出轴向排列的CNT能够优化织物上的导电网络结构（图4A(a~d)），较无序结构来说，其单位CNT电导率可以提升81倍（图4A(e)），另外，在轴向涂覆的材料上仅靠几微米的涂层就能实现21.5 dB(X band) 的屏蔽效果[79]（图4A(g)）。另外，前处理方式对CNTs分布均匀性也起到决定性作用。通过NaOH碱处理提高纤维表面粗糙度，有助于CNTs在织物表面形成致密沉积网络，随着浸润次数增多，其材料表面电阻率有巨大下降趋势，同时获得超过26 dB的屏蔽效能[80]。此类致密网络增强了界面间极化损耗，有效提升了GHz频段EM波的衰减能力[81]。

作为在服装功能化领域已得到广泛研究与应用的二维碳材料，石墨烯可显著赋予改性织物优良的导电性能与EMI。Tian等[82]基于层层静电自组装（LbL）策略，利用聚阴离子聚（对苯乙烯磺酸钠）（PSS）与聚阳离子壳聚糖-石墨烯复合层（CSG）在棉织物表面交替沉积，制备得到石墨烯包覆的多功能棉织物（图4B(a~b)）。随着自组装层数增加，织物表面电导率显著提升，在10层沉积条件下可达1.67×103 S/m，且经 10 次洗涤后仍保持较高电导率（1.65×103 S/m），表明涂层在纤维表面具有良好的附着稳定性（图4B(c~d)）。与此同时，该织物在30 MHz~6 GHz 频段内表现出增强的电磁屏蔽效果，10 层样品的最大屏蔽效能（SE）达到 30.04 dB（图4B(f~g)）。其作用机理可归因于：石墨烯纳米片在壳聚糖基质中分散均匀且未发生明显团聚，并通过壳聚糖链上 —NH3+ 与 PSS 的 —SO3- 之间的静电作用实现逐层牢固沉积，从而在棉纤维表面构建连续导电通路，为电子传输提供有效路径；在电磁屏蔽过程中。材料以吸收贡献为主，一方面石墨烯对棉纤维的包覆使导电路径充分建立，可通过将微波能量转化为热实现高效衰减，另一方面石墨烯超薄、柔性且褶皱的形貌特征可延长电磁波在包覆层中的传播路径，并在褶皱层中产生振荡电流以加速电磁波散射，从而进一步消耗电磁能量。随着 LbL 层数增加，石墨烯负载量与导电通路密度同步提高，进而协同增强导电性与电磁屏蔽性能；作者同时指出，高电导率是获得优异电磁屏蔽效能的重要前提，该规律与 Schelkunoff 理论相一致。另外，将氧化石墨烯涂覆于羊毛和聚丙烯腈（PAN）混纺材料上，再经还原处理，得到的还原石墨烯改性材料的导电率可提升至1.67 S/cm，显著高于未改性材料,并且采用该改性方法的织物电导率显著高于其他方法（图4B（h））[83]。石墨烯与银离子联合涂覆现在也成为热门的研究课题，在聚酯（PET）和棉织物上，此联合涂覆方法都使原始材料具有了在X射线波段的电磁屏蔽功能（58~65 dB聚酯纤维，27.36 dB棉织物），且也能显著提升材料导电性[84-85]。

同样，Mxene作为热点研究材料已有多年，其对服装织物的导电性及EMI的提升也被众多研究所证实。例如：通过将无添加剂水性 Ti3C2Tx MXene 染料引入传统棉织物和亚麻织物中，研究者采用浸涂工艺成功构建了具有高导电性与优异电磁屏蔽性能的功能织物（图4C(a)）。随着浸涂次数增加，Ti3C2Tx 在织物中的负载量逐步提高，其电阻由约6 Ω/cm 降低至0.6~0.8 Ω/cm（图4C(b)），表明连续导电网络在织物内部形成。该导电网络源于带负电且亲水的Ti3C2Tx 纳米片在纤维素基纤维表面及纱线内部的均匀附着，其间通过氢键和范德华作用实现稳定界面结合。得益于导电性的显著提升，织物在 X 波段的电磁干扰屏蔽效能随MXene负载量增加而显著增强，在低于质量分数15% 负载时即可达到约40 dB，而在高负载条件下提升至80 dB（图4C(c)）。进一步分析表明，该类织物的电磁屏蔽以吸收机制为主，反射贡献相对稳定，显示其不同于传统金属反射型屏蔽材料的屏蔽特征。即使在空气中存放两年后，织物的电磁屏蔽性能仍仅出现有限衰减，表明其内部导电结构具有良好的长期稳定性[86]。类似的研究中，学者将Mxene 涂覆在无纺布上（图4C(d~f)）也获得了相似的电阻率下降及屏蔽能力提升（图4C(g)），但其研究指出在低 Mxene 负载时未形成连续导电网络，电磁屏蔽主要依赖载流子传导、跃迁与隧穿及 Mxene 片层偶极效应产生的欧姆损耗而呈现吸收主导（图4C(h~i)），而在高 Mxene 负载形成连续导电网络后，织物与空气间的阻抗失配及树皮状表面结构引起的多界面散射与多次反射共同作用，使电磁屏蔽机制转变为以反射为主[87]。

综合上述研究可以看出，此类型纳米材料在服装织物中实现导电性与EMI的关键，并非仅取决于其本征电学性能，而更依赖于其在纤维尺度上能否构建稳定、连续且可承载多重损耗机制的导电网络。一维CNT、二维石墨烯及MXene 虽结构维度不同，但其高效EMI表现均建立在导电通路贯通、界面结合稳固以及微结构可控的基础之上。CNT体系的优势来源于其高长径比所带来的低渗流阈值，使其在织物孔隙结构中易于形成连续导电路径，而多巴胺修饰、碱处理等前处理手段实质上是通过界面能调控提升网络稳定性。石墨烯体系则更依赖片层均匀分布与层级结构设计，通过延长电磁波传播路径和增强极化与散射过程，实现以吸收为主的屏蔽机制。MXene体系进一步表明，织物EMI机理并非固定不变，其在低负载时以吸收主导，而在高负载、网络完全贯通后可能向反射型屏蔽转变，凸显了结构连续性对屏蔽模式的决定性作用。相比之下，碳量子点由于其零维特征，其导电性也显著低于其他纳米碳材（10-2~10-3 S/cm）[88]，难以在织物中形成宏观连续导电网络，载流子传输主要依赖跳跃机制，且对电磁波的多次反射与吸收贡献有限，因此难以显著提升织物的导电性与EMI性能，更适合作为功能调控单元而非核心屏蔽材料。

3.3 光谱与热管理性能

在前述章节系统阐述了纳米材料赋予织物优异导电性与电磁屏蔽性能的基础上，其在色彩调控与光学性能调节方面的功能化应用同样展现出重要研究价值。碳纳米材料凭借其宽谱光吸收特性[89-91]、可调控界面散射行为[89],纳米尺度结构效应[92]以及荧光效应[4]，可显著影响织物的显色深度、综合色参数,光学响应及荧光发光特征。

具体来说，Gültekin等[93]使用硝酸功能化多壁碳纳米管（MWCNT）引入聚酯织物，结果表明碳纳米管赋予织物显著的综合色效应（由白色转为灰/黑色，L*值显著降低，ΔE最大达58.147）（图5A），且酸改性提高分散稳定性与染色均匀性，使织物呈现更深色调，同时耐洗性能良好，其SEM图像[93]如图5B所示。类似的研究同时使用了单壁（SWCNT）与MWCNT改性棉纤维材料，该研究表明，单壁与多壁碳纳米管在紫外区具有特征吸收行为，其中由于sp2石墨结构中大量C═C键与π电子体系可发生电子跃迁吸收紫外光，且管状结构增强光能耗散，使织物紫外透过率显著降低并显著提高UPF值，SWCNT表现出更优的吸收效率[94]（图5C~D）。另外，对于GO材料来说，Farouk等[95]将GO及银纳米颗粒涂覆于棉及亚麻纤维上，其改性材料展现了优异的UPF提升，改性棉织物最高提升至100.8，而亚麻纤维处理后达到98.2（图5E~F），此效果是基于GO自身良好的紫外线吸收特性[96]，使此涂层在织物纱线间形成的阻隔空间有效抑制了紫外线穿透，从而产生卓越防护效果。为了制备色彩更加丰富的rGO改性棉织物，Moon及其团队使用rGO与天然染料协同染色测试了棉织物的L*、C*ab与hab参数，随着rGO负载量由1%增至7%，综合色差ΔECMC(2:1)由7.60升至13.56（图5G），并引起色度降低与色相跨象限迁移，体现出rGO对织物综合色空间与色彩饱和度的显著调制作用，其研究还表明了使用rGO染料对织物进行染色处理，不仅可如传统碳材料一样使织物色泽加深，还能创新性地提升织物色彩的鲜艳度与光泽感[97]。此外，该文表明，MXene/PDA@MXene 作为SiO2光子晶体外部黑色壳层，可通过吸收散射光、减弱相干散射和降低反射增强结构色饱和度（图5H~I）；其表面 —OH/—O/—F 终止基团则有助于核-壳结构在静电与氢键作用下形成并提升界面黏附力，但织物整体稳定性还与壳聚糖构建的正电荷和氢键网络密切相关[98]。

作为荧光纳米材料热门研究对象的碳量子点（CQDs）和碳纳米点(CNDs），其对服装织物的改性自然也是科研项目的重点研究对象。有研究通过红外诱导，以羧甲基纤维素钠（CMC）为原料，经碱性水解、再聚合与芳构化反应，制备得到具有类石墨 sp² 结构的 CQDs，其拉曼图谱可以证明其成功转化；其荧光源于碳核与表面含氧官能团协同构成的表面态中π→π*与n→π*跃迁，从而实现可见区（415~445 nm）强发射，其荧光强度与是否透析和是否加碱等处理密切相关（图5J~M），而发光强度主要受表面功能基团及其调控的电子结构影响，而非粒径主导[50]。另外，通过370 nm激发光对天然棉织物及阳离子化棉织物进行1、2、4层碳量子点包覆后（S2），测得其荧光光谱结果。数据显示：随着碳量子点包覆层数的增加，荧光峰强度呈现显著增强趋势。此外，阳离子化织物的荧光带强度更为突出——CQDs(S2)@棉(4L)（即包覆4层碳量子点）的发射强度峰值出现在338 nm处，而CQDs(S2)@Q-棉(4L)的峰值则显著提升至741 nm[50]。与前文CNTs类似，CNDs亦可通过喂食方式被桑蚕摄入并进入丝腺体系，从而赋予蚕丝内禀均匀蓝色荧光（≈450 nm发射）[99]（图5N~O）。研究表明，CNDs可嵌入丝素蛋白并在纺丝过程中被保留于纤维内部，作为发光中心产生稳定可见区发射。同时，CNDs表面丰富的羧基与羟基可与丝素氨基形成氢键相互作用，抑制丝素由随机卷曲/α-螺旋向β-折叠构象转变并限制晶体生长，从而调控丝素构象与介相结构并提升材料力学性能，此结果也被其他类似研究验证[99-100]。除了提供荧光效应，碳量子点联合其他材料也可以实现UV防护以及防伪标签制造[101-102]。

不仅如此，此类纳米材料凭借其可调热辐射特性[103]、可控光-热转换[104]以及优异的热传导与界面热扩散能力[105]，能够在微观尺度上调控织物与人体—环境之间的能量交换过程，从而赋予纺织品主动与被动相结合的温度调节能力。

对于CNT来说，在PET纤维结构中引入CNT能够将原材料的红外发射率提升至0.97，其增强源于CNT强红外吸收及有效介质折射率降低所引起的反射抑制与发射增强，并伴随Mie散射及表面粗糙度由14 nm增至294 nm扩大有效辐射面积，在渗流导电网络形成后实现电导-辐射协同热管理过程[106]。不仅如此，CNT涂覆的双形纤维织物可实现超过35%的红外辐射调制（校正后约12%），在小于1 min内快速、可逆响应并适用于5%~90%湿度区间，从而有效增强人体与环境之间的热交换，其机制源于湿度诱导的纤维间距变化（约100 μm）触发相邻纤维间距依赖的电磁耦合以调节发射率，并伴随织物孔隙增大协同促进对流、传导与蒸发散热[107]。另外，CNT涂层可使棉织物热导率提高151%，并在50 ℃热源接触下实现3.9 ℃的表面温度降低且冷却速率随含量增加而提升，其降温效果归因于热导率与表面发射率的同步提高[108]。对于石墨烯来说，其不仅能附着于聚氨酯棉织物上使改性材料在4~18 μm波段发射率提升至0.911[109]，而且能够通过电热效应实现材料的主动发热。例如：Kim等[110]使用石墨烯聚合物加热层与芳纶织物构建多层体系，在30 V、0.12 A、3 W条件下实现约85 ℃可控加热且材料基于芳纶的多气孔结构特点，在55%湿度下具有最佳保温性能；且在联合CNTs情况下石墨烯能实现稳定的电热行为[111]。此类电加热性质是基于石墨烯导电网络在外加电压下因电阻耗散而产生的焦耳热[112]。对于Mxene材料来说,其构成的复合织物材料可将7~14 μm中红外发射率由96.13%降至19.53%、反射率达78.32%，并在覆盖皮肤10 min时实现最高约49.6 ℃的加温效果，较传统织物提升6.83 ℃，这主要源于MXene对太阳光的强吸收并减少人体红外热辐射散失，从而产生保温升温效果[113]。类似的研究证明Mxene改性后的尼龙织物可使皮肤温度提升3.4 ℃并在太阳光照下进一步升温14.2 ℃[114]。最后，尽管碳量子点在织物热管理领域的研究仍处于起步阶段，但其独特的光吸收与光子再发射特性[115]为新型被动辐射降温纺织品提供了新方向。

综上，碳基纳米材料在织物中的光学调控主要体现在3个层面：其一，依托sp²碳骨架与π电子体系的宽谱吸收特性及纳米尺度界面散射行为，显著降低织物L值、调节综合色参数并提升紫外吸收能力，从而提高UPF性能；其二，碳量子点通过表面态π→π与n→π*跃迁实现可见区稳定荧光发射，并通过与基体之间的氢键相互作用实现发光组分的均匀锚定；其三，CNT、石墨烯与MXene等材料通过调控红外发射率、增强光-热转换效率及构建导电网络实现焦耳热效应，在中红外波段实现辐射调节，另外还有高效的电热响应性能。上述研究表明，碳纳米材料能够在紫外-可见-中红外波段内调控织物的吸收、发射及电热能量转换行为，形成综合色调控、防紫外保护与热响应功能并存的体系。

基于上述力学增强、导电与电磁防护以及光谱与热管理性能分析，不同碳纳米材料在织物改性中的作用并不完全相同。为进一步比较石墨烯、CNT、MXene 和 CQDs/CDs 在关键性能及功能服装应用中的差异，本文对其结构特征、主要优势、相对局限性及适用场景进行了归纳，结果如表1所示。

4 碳纳米材料改性织物在力学防护服装中的设计与应用前景

4.1 防弹服

人类对锐器、弹丸等各类外部威胁的防护需求，自人类文明起源以来即已存在。早期，人们利用兽皮、木材、石材以及铜、钢等材料制作护体装具，以降低外界冲击造成的伤害。随着材料技术的发展，由亚麻、棉、丝绸及尼龙等传统纤维构成的纺织品，以及多层层合复合结构，不仅被广泛用于日常服装，也逐渐应用于防护装备领域，能够在一定程度上抵御包括弹道冲击在内的多种机械损伤[116-118]。在现代军事与执法场景中，弹道威胁日趋复杂，对防护装备的轻量化与高防护性能提出了更高要求，而材料体系的升级被认为是实现性能突破的关键路径。其中，碳纳米材料改性织物的出现，为防弹服材料的性能提升提供了新的技术方向。

目前，防弹服常用材料大致可分为两类：一类为低纤维素含量的天然纤维，如椰壳纤维、库拉索纤维、亚麻、玄武岩纤维及竹纤维等[119-123]；另一类为高性能合成纤维体系，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维（Kevlar）以及超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等[124-127]。其中，芳纶纤维因具有高强度、高比韧性、低密度以及良好的柔韧性，长期以来一直是防弹服的核心材料之一[128-130]。然而，单层芳纶织物的抗冲击能力有限，为实现有效防护，通常需要叠加20~50层结构，这种多层堆叠策略不可避免地增加了装备重量，并削弱服装的灵活性与穿着舒适性[131-132]。因此，在保持轻量化的前提下进一步提升芳纶纤维本体力学性能，是实现防护性能提升与机动性优化的重要途径。

前文已述，碳纳米材料的引入能够显著改善织物的力学性能，对本身性能优异的芳纶纤维亦具有明显增强作用。Balaji等[133]研究表明，添加2%和5%石墨烯可将芳纶纤维的极限强度由250 MPa提升至309 MPa和324 MPa，对应提升幅度分别为24%和29%。此外，通过激光刻蚀技术在芳纶纤维表面构建石墨烯涂层，可使断裂韧性提升约20%，短梁剪切强度提高约70%[134]（图6A~B）。进一步地，采用氧化石墨烯与铁掺杂碳纳米管复合改性Kevlar纤维，可使材料的拉伸强度和模量分别提高125.57%和89%，且改性织物在低速冲击条件下表现出更优的吸能能力及面内剪切强度[135]（图6C~H）。

在更贴近实际应用的弹道性能方面，研究表明氧化石墨烯改性Twaron®芳纶织物在9 mm弹丸冲击测试中表现出更高的能量吸收能力。经过二次氧化石墨烯处理的织物吸能值可达159.6 J，较未改性织物提升约50%[136]。其增强机理主要在于GO涂层改善了纤维表面形貌并提高了纤维间摩擦系数，从而抑制纤维滑移并促进微纤化失效，使更多纤维单元参与冲击能量耗散过程。Wang等[137]的研究同样观察到类似机制：纯芳纶织物、低密度聚乙烯改性芳纶织物以及石墨烯/低密度聚乙烯复合改性芳纶织物的弹道极限速度分别为105 m/s、223 m/s和216 m/s（图6I），表明通过调控纤维界面摩擦行为，可有效提升织物的抗弹性能。

实验与测试结果进一步证实，碳纳米改性填料不仅显著提升基体纤维自身的力学强度与抗变形能力，还通过多重协同机制增强冲击能量耗散，包括：提升纤维界面接触摩擦系数、约束冲击载荷作用下的纱线滑移行为、诱导纤维可控微纤化断裂以及激活层间局部剪切耗能。这些微观界面作用和能量耗散特性，为防弹服结构优化提供了理论依据。基于这一机理，设计者可以合理规划改性材料在防护面板中的分布，优化多层堆叠形式和排布方式，从而实现纤维层面增强效应向防弹服宏观防护性能和力学适配性能的高效转化。

从服装设计逻辑层面而言，防弹服的核心目标是在保障可穿戴性的前提下，实现对弹丸冲击动能的有效吸收与分散[138]。能量吸收能力及能量在多层材料间的分布特性，是决定防护性能的关键因素[139]。典型软质防弹服由载体（carrier）、面板外层（panel cover）及防弹面板（ballistic panel）构成，面板通常由多层抗弹材料叠加而成，形成前片与后片的对称结构[140]。然而，为保证防护可靠性，现有防弹服往往存在厚重、笨重、限制运动灵活性等问题[141]。基于上述材料性能与微观机理的支持，当前防弹服设计趋势之一，是通过纳米增强材料改性或复合结构设计，减少材料层数的同时提升单位厚度能量吸收效率，从而实现更轻便、更灵活、穿着更舒适的防护装备。

基于上述设计原则，纳米碳材料在软质防弹服中的具体应用方式可分为以下几类（图6J）。

首先，前文已提及，经纳米碳材料改性的芳纶纤维可显著提升其弹道防护性能。因此，在防弹服的迎弹面可优先布置此类改性材料，以增强冲击初始阶段的结构稳定性与载荷扩散能力，并减少迎弹面的纤维层数。该特性已在相关模拟及实验研究中得到证实[142-143]。具体而言，Kukle等[143]的研究表明，将3层石墨烯改性材料布置于迎弹面，可将防弹面板的总层数大幅降至15层，同时维持较低的后背变形深度（18 mm）。

其次，在软质防弹服的多层耗能区域，由于纳米碳材料改性纤维可显著提高纱线间的摩擦系数，可将此类改性材料局部添加至多层吸能材料中，参与耗能体系的构建。相关模拟研究证实，此类型设计可使防弹材料弹道极限速度提升5~10 m/s[144]。

此外，需特别指出的是，针对女性软质防弹服，由于女性胸部曲线具有独特性，其防弹前片需设计为三维曲面结构，确保弹道冲击时多层防护层能与人体紧密贴合，并有效覆盖受冲击部位，从而实现可靠防护。因此，女性软质防弹服需进行专属设计，兼顾曲面贴合性、结构连续性、柔性及防护效率[140,145]。基于此，在胸部区域采用纳米碳材料改性织物，可在不牺牲柔性、不增加叠层以维持贴合性的前提下，保障防弹服的防护性能[146]。同时，女性胸部区域在穿着过程中通常需承受弯曲、拉伸及局部剪切等复合变形，传统多层二维织物在曲面状态下易发生层间滑移或局部松弛，进而影响冲击载荷在结构中的有效传递[147]；而纳米碳材料改性纤维可在不明显增加材料厚度的前提下，提高纤维网络的稳定性，更有利于维持曲面区域的结构完整性，保障防护效果。

4.2 防刺服

与抵御枪械射击的防弹服不同，防刺服是抵御刀具、尖锐器械攻击的特种防护服装，主要配备给公安执勤人员、狱警、安保人员及出租车司机等高危岗位从业者。随着纺织材料技术的进步，防刺服已从早期硬质防护装备逐步发展为现代软质防护装备，市场对其性能需求也朝着轻量化、薄型化、高柔韧度的方向不断提升[148-149]。在防护区域设计上，刺击伤害多集中于胸、腹等关键部位，一旦受损极易引发重伤甚至危及生命[150-155]。因此，防刺服通常优先针对上述核心区域配置主体防护层，以实现高效防护。

软质防刺服的主体防护层常采用三轴向机织结构，具备各向同性、高剪切刚度与高效能量耗散特性，可通过剪切变形、纤维拉伸、界面摩擦及整体协同变形抵御锐器穿刺，兼顾柔性与轻量化要求。选材上以高模量、高强度、低密度的特种纤维为主，常用材料为芳纶纤维[156]。由多层织物复合而成的主体防刺护甲板，层数可达40层以上，总质量最高可达10 kg[157-158]。在此背景下，纳米碳材料改性的高性能织物可成为研发新一代轻质高效防刺服的关键材料之一。

具体而言，Cai等[159]研究证实，碳纳米管改性操作可从界面结合、应力传递及能量耗散3个层面突破传统织物的性能瓶颈。羧基化碳纳米管通过纤维间桥接效应与表面网络增强作用，显著提升纱线间摩擦力与界面结合强度，实现应力快速扩散与高效能量耗散，抑制纤维原纤化与局部滑移失效。与未改性芳纶织物及聚丙烯酸酯（PAE）单一涂层织物相比，碳纳米管复合织物的尖刺抗力提升近 50%，顶破强度提升 24.8%，能量吸收能力成倍提高，在保持轻质柔软的同时实现更优异的抗穿刺防护效果，为高性能软质防刺材料提供了高效可行的改性路径。此外，Naghizadeh等[160]研究表明，将氧化石墨烯-四氧化三铁（GO-Fe3O4）杂化纳米填料引入剪切增稠液（STF）后，可显著增强凯夫拉织物的纱线间摩擦力与高速冲击抗性；其中含质量分数0.4% GO-Fe3O4杂化填料的 STF-GFHN/Kevlar 体系，最大纱线拔出力与冲击吸能较纯凯夫拉分别提升163%和73%。

由此可见，将纳米碳材料改性织物设计布局于主防护层，可在保证防护等级的前提下有效减少叠层数量、降低防刺服整体重量。除此之外，颈部、肩部、腿部等高活动部位同样易受刺击伤害并引发严重后果，但现有防刺服受材料柔性与穿戴舒适性限制，通常未对上述区域进行覆盖防护[161-162]。纳米碳材料改性织物凭借增强纱间摩擦、提升吸能能力及轻量化等优势，在理论上非常适用于上述高活动部位的柔性补强防护设计，为拓展防刺服防护范围、提升全方位防护能力提供了新的思路。

5 碳纳米材料改性织物在传感监测服装中的设计和应用前景

前文已经阐述，碳纳米材料可赋予普通纺织品良好的导电性能，这种织物除了能作为导电纱线编织于普通服装内实现防静电或其他导电性能以外，更能够作为良好的柔性传感器的构建原件，实现服装的实时传感监测功能，为传统穿戴监测开辟了新的路径。本章节将围绕柔性传感所包括的重点监测方向：心电图（ECG）监测，以及呼吸监测[163]服装展开讨论碳纳米材料改性材料在此类服装中的设计与应用前景。

5.1 ECG监测服装

随着老龄化社会的到来，心血管疾病已成为致死率最高的疾病。长期心电图（ECG）信号有助于识别并干预潜在的心血管疾病风险[164]。服装与人体间长时间、大面积接触的特点，使服装成为可穿戴医疗监护设备的最佳应用平台。心电监测服装可通过服装监测心电信号 并生成心电图，从而实现对慢性心血管疾病提前预防的目的[165]。在传统的ECG监测中，往往采用Ag/AgCl ECG 电极，也就是俗称的“湿”电极，这类电极会面临3个难以解决的问题：1） 黏合剂若长时间贴敷于皮肤，会引起不适感；2） 监测系统隐蔽性较差，易被他人察觉；3） 电极内的导电凝胶会随时间干涸，从而影响信号质量[166-167]。因此，以碳纳米材料改性的织物制作的可穿戴、柔性的干心电图电极可以成为此问题的解决路径。

从电极性能方面来说，Yapici 等[168]通过还原氧化石墨烯(rGO)对尼龙织物进行浸渍-热处理构建导电石墨烯包覆纺织电极，用于心电(ECG)生物信号采集，并在皮肤-电极阻抗、信号质量及噪声方面表现出与传统Ag/AgCl电极高度一致的性能（相关性达97%），在信号保真度上甚至高于传统电极。更进一步的研究为了解决运动状态下的信号稳定性，以真丝为基础材料开发了高导电激光诱导石墨烯电极，与传统电极相比，其接触阻抗显著降低，可实现高稳定性的运动状态采集（9 km/h跑步，持续24 h）[169]。另外，有研究将聚偏氟乙烯（PVDF）/ 石墨烯纳米片（GNP）纳米复合材料涂覆于商用纺织品从而制得新型ECG传感器，其性能与商用ECG监测带及传统Ag/AgCl电极相当（图7A~B），且其采集信号信噪比最高可达40 dB（图7C），所有关键信号特征与器件均清晰可见，且材料柔软，可弯曲与皮肤贴合性好，能水洗[170]。

上述研究成果表明，碳纳米材料在织物中的导电网络不仅能实现高导电性和柔性，还能在弯曲、拉伸及水洗等实际穿着条件下保持稳定性能。这为将功能性纺织材料应用于可穿戴生理监测提供了理论依据和实践参考，使材料性能能够直接转化为服装的信号采集稳定性和穿戴舒适性。基于这一机理，ECG监测服设计可以充分利用碳纳米材料的高导电性、低接触阻抗以及柔性可弯曲特性，将微观材料优势映射到宏观服装结构与布局中，从而实现高保真信号采集与运动适应性。

从服装设计原理方面来说，ECG监测服的核心设计目标是保证穿戴者在静态与运动状态下都能稳定采集生理信号，同时兼顾穿着舒适性与柔性适配性；且其设计方案面临的一大问题就是如何处理穿戴者运动所引发的伪影[171]。为了解决此问题，Cho等[171]通过实验系统地找出56个电极候选位置中最稳定的4个位置，并给出了服装设计指南，以及两种男士ECG监测服装设计。结果见图7D~E。

Cho等[172]后续的研究提出胸围线下方（前胸胸大肌下缘）和肩胛骨下方（后背）是ECG电极的最优位置，可使皮肤-服装相对位移最小化，从而从源头消除运动伪影，实现可靠的动态ECG监测。另外，Hu等[165]也对ECG电极在服装中的位置做了研究，该团队提出了170/88A男子紧身型心电监测服装中电极的位置，结果见图7F。结合人体工学设计，科学地布置柔性传感器的位置，将使碳纳米材料改性织物传感器在ECG监测服装中性能发挥更充分，更能迎合消费级产品需求，更快完成真正市场化。

5.2 呼吸监测服装

众所周知，呼吸率是人体生理重要指标，其异常（每分钟<6次或每分钟>24次）比心率或高血压更能预测死亡率；实时呼吸传感器可用于哮喘、COPD、睡眠呼吸暂停及COVID-19早期诊断，还能监测婴儿健康并实现远程医疗，大幅降低传统医疗成本[173]。因此，将传感器集成入纺织纤维和服装中，实现与人体直接连接的非入侵性、可穿戴性的健康监测能显著地提高疾病诊断与医疗效率[174-175]。前文已经阐述，纳米碳材料改性织物可形成连续且优异的导电网络。因此，当材料集成在衣服上时，随着呼吸时胸腹部拉伸动作，导致纤维间距变化而影响电阻变化，从而能够构建性能优良的呼吸传感器。

具体来说，Yang等[176]使用氧化石墨烯对聚酯织物进行涂覆，然后还原成为石墨烯改性织物，成功制备了应变型柔性石墨烯织物传感器。此材料表现出了极高的灵敏系数（GF），在x方向为-1.7，y方向为-26，且在不同应变范围内均能提供稳定的相应。此材料在用于腹部呼吸监测时能够明显地区别深呼吸与浅呼吸产生的腹部微小形变。这证明了此材料在呼吸监测服装中的应用潜力。另外，使用印刷技术，Wojciechowski等[177]成功地将碳纳米管传感器布置到了成品T恤衫上，此传感器具有较好的形变感知能力，且其实际呼吸监测与医学系统数据对比证明该材料能够正确地记录呼吸频率。

这些研究表明，碳纳米材料改性织物不仅在应变感知方面表现出高灵敏性和稳定响应，还能在不同部位、不同运动状态下提供可靠的信号采集能力。材料的柔性、可弯曲性以及对微小形变的高响应特性，使其能够直接应用于呼吸监测服装中，将微观传感能力转化为宏观的穿戴监测性能。

从服装设计逻辑方面来看，呼吸监测服的核心设计目标是保证在不同性别、体型和呼吸方式下，都能够稳定、准确地采集穿戴者的呼吸信号，同时兼顾穿着舒适性和柔性适配性。文献指出，要实现好的呼吸监测能力，服装上的传感器设计位置覆盖胸部、膈肌区域以及腹部肌肉区域[178]（图8A）。但最佳位置受性别、体型和呼吸方式影响：女性更适合胸部区域，而男性更适合膈肌或腹部区域[178]如图8B~C所示。

另外，有研究通过分析上身表面呼吸运动与潮气量之间的关联，旨在确定智能服装中用于呼吸监测的最优传感器数量及布置位置。研究采用运动捕捉系统在紧身压缩衣上布置102个反光标记（前侧48个、侧面18个、后侧36个），同步使用肺量计记录潮气量作为参照数据，受试者依次进行自然呼吸、腹式呼吸和胸式呼吸实验。通过将标记三维位移投影至主运动方向并构建位移矩阵，利用奇异值分解（SVD）评估各标记的信息贡献度，并结合线性回归与自助法（bootstrapping）筛选关键位置，从而确定最少所需传感器数量及其空间分布。结果表明，在不同呼吸模式下，仅需9个传感器即可获得准确的潮气量信息（如图8D），其中6个关键传感位置分布于胸廓相关区域，另3个沿脊柱布置用于运动校正[179]。纳米碳材料构成的织物传感器完全可按照上述服装设计需求整合进呼吸监测服装中，以最大限度发挥其作用。

6. 碳纳米材料改性织物在温度调节服装中的设计和应用前景

6.1 电加热服装

传统的防寒服多采用羽绒、毛皮、棉絮等服装材料来增加静止空气含量，具有良好的保暖性能，然而这种被动隔热的防寒方式存在服装厚重、体积大和保暖性固定的问题，从而影响穿着者的运动，且难以应对户外多变的低温环境[180]。随着功能性织物材料的不断发展，电加热服装逐渐成型并出现在消费级市场上。本文已经详细阐述以石墨烯为代表的碳纳米材料改性织物有良好的导电性及电阻发热性能。现存的服装中已经有不少保暖服装采用了石墨烯或碳纳米管改性纤维作为功能材料实现电加热功能。下面部分将详细讨论此类材料在电加热服装中的设计及应用。

从加热部位来说，人体躯干不同区域对于热感的敏感程度是不同的。Chen等[181]研究指出，在仅存在单一加热区域时，躯干部位里，腹部是最舒适的区域。在整体加热时，上背为躯干的最敏感加热区，而胸部、腹部、腰部为中敏感区。需要强调的是，脚和上背同时加热是研究证明的最佳加热组合（图9A）。另外，相似研究也指出，以组合模式进行加热时，其加热效果会远大于单一加热[182]。

因此，在使用纳米碳材料改性织物构建电加热服装时，并不需要实现服装整体覆盖，而是针对热敏感区域进行覆盖即可。具体来说，李琳琳及其团队对户外智能加热服的设计进行了系统研究，提出除了胸背等热敏感部位以外，还有人体的脚踝、手肘、膝关节、手踝等部位。软组织比较少，不易储存热量，体表温度比较低，也是极易受寒的地方，这些地方也是可以着重考虑布置石墨烯加热功能区，具体加热服设计[182]如图9B所示。在实际成衣设计中，石墨烯加热材料被插入成品冲锋衣腰部位置（如图9C），能维持稳定的45 ℃加热效果[183]。在其他针对石墨烯及碳纤维改性织物加热服的成衣研究中，学者们也普遍将加热材料设计于背部、腰部及胸部等人体舒适部位[184-186]。其设计与成衣图如图9D~F所示。他们基于不同的结构设计，通过调节电压电流都能达到人体舒适的加热效果。但一般加热服装只针对上衣或外套设计，而往往忽略了裤子与鞋袜加热功能的引入。后续研究可在此方向进行探索，以改性织物良好的柔软度与电阻加热性，设计符合市场需求的电加热裤与鞋袜装备。

6.2 相转变控温服

除了电加热服装以外，纳米碳材料改性织物也可应用在其他热管理服装中来实现其功能性。相转变控温服是指通过在纤维或织物中引入相变材料（PCM），利用其在特定温度范围内发生相变时的潜热吸收与释放，实现动态热绝缘和人体微气候温度调节，从而提高穿着热舒适性的智能纺织服装[190]。这类服装使用的相变材料一般为有机相变材料如石蜡类、聚乙二醇类等[189]。但是，有研究指出石蜡类有机相变材料虽然具有较高潜热储热能力，但其低热导率、固液相变过程中的形貌不稳定及较差的太阳吸收能力，显著制约了其在相变纤维中的热管理效率；与此同时，现有相变纤维制备路线还普遍存在焓值受限、循环耐久性不足以及连续规模化加工困难等问题[188]。因此，加入碳纳米材料改性相变织物成为了解决传统相变材料问题的途径之一。具体来说，Geng等[188]使用了极少的碳纳米管（0.1%）添加入石蜡类相变纤维中，实现了高潜热储能（≈139 J/g）、高力学延展性（≈1530%）及高效光-热管理的协同优化，并成功制备可实现约5 °C人体微气候调控的成衣。另外，在相关研究中，碳纳米管实现了对PEG 相变材料的包覆与稳定封装，保持了其结构的稳定性，且显著降低了相变材料的泄漏量（优化后PEG负载率89.1%）[187]。另外，碳纳米管也提供了一定的电加热能力，弥补了传统相变服装智能被动调温的缺陷[187]。这些材料性能提升表明，碳纳米材料改性相变纤维不仅具备高储热和快速热响应能力，还能保持成衣地柔性和耐久性，为相变温控服的设计提供基础支撑。

从成衣设计理念方面来看，相变温控服的设计目标在于将相变调温能力有效转化为人体微气候调节功能，在保证热舒适性的同时兼顾柔性、耐久性与穿着舒适性。上述两个研究都将改性纤维制成了成衣进行了测试，Huang等[187]则将功能纤维放置于胸前及后背中央区域，结果见图9G，而Geng等[188]的马甲样衣全衣使用了碳纳米材料改性纤维，结果见图9H。由此可以看出，对于实际成衣的设计来说，现有研究由于功能实现目的不同，还未达成设计逻辑一致。尽管如此，还是有相关综述指出，相变材料在服装中的设计分布应主要集中于头部、躯干（胸部、背部、腹部及腰部）以及四肢关节等区域（图9I），通过在局部织物夹层、柔性薄膜或模块化结构中引入PCM，实现对人体核心热区及高敏感部位的热量吸收与释放，从而维持稳定的体表微气候与热舒适性[189]。因此，后续的相变温控服可按照这些重点部位，依据不同服装功能做出设计调控，以提高材料的利用效率。

7. 总结与展望

综上，本文系统探讨了碳纳米材料在功能服装领域的应用价值，其核心优势首先体现为能够显著提升织物的多项关键性能。石墨烯、碳纳米管、碳量子点及 MXene 等材料可通过浸染、涂层、印刷、纺丝等工艺引入纤维及织物体系，在力学增强、导电传感、光-热管理、相变热调控及电磁屏蔽等方面展现出突出性能。与传统助剂或填料不同，碳纳米材料的作用机制并非简单的物理添加，而是通过改善界面结合、调控分散状态、构建连续功能网络等方式，深刻影响织物内部的受力传递、电荷传输和光热响应过程。因此，其性能提升已不再局限于材料表征层面，而是开始与防护服装、柔性传感服装、电加热服装及相变温控服装等具体应用场景形成明确的对应关系。碳纳米材料改性织物的意义不仅在于使织物更强、更导电或更易产热，更在于为防护增强、人体生理信号监测和局部热调控等服装的实际功能需求提供了关键的材料基础。

然而，前文分析亦表明，当前该领域研究仍存在若干关键知识空白。首先，碳纳米材料在纺织体系中的分散性、取向度、界面结合状态与宏观性能之间尚未建立清晰的定量构效关系。多数研究能够证明某一改性方法可提高织物的强度、导电性或热响应能力，但对于这些性能如何从材料尺度逐级传递至纤维、纱线、织物乃至服装层面，仍主要依赖经验性解释。未来研究应围绕 “原子结构-纳米单元-纤维-纱线-织物-服装” 的分级关联路径，构建跨尺度性能传递理论模型。具体而言，可结合密度泛函理论（DFT）、分子动力学模拟及介观尺度模拟方法，系统解析官能团类型、片层取向、长径比、界面结合能、网络搭接密度等关键参数对载荷传递效率、电荷输运特性和光-热管理效率的影响规律，从而为材料改性方案的定向设计提供理论依据。

其次，功能网络在织物中的构筑及其在服装成型过程中的结构稳定性，是当前从材料研究走向服装产业化应用亟待解决的核心问题。前文关于导电传感、电加热和电磁屏蔽的研究表明，碳纳米材料的功能发挥高度依赖于连续导电网络或多级传输通道的完整性。但现有研究多集中于平面织物样品，对裁剪、缝合、拉伸、弯曲及三维曲面成型后功能网络是否仍能保持拓扑连通性关注不足。尤其在心电监测服、呼吸监测服和局部加热服等典型应用中，服装需要长期承受人体运动产生的拉伸、褶皱、摩擦和反复形变作用。未来应重点研究二维功能裁片向三维服装结构转化过程中，导电网络、传感路径和热传导路径的连续性保持机制，明确缝线、拼接缝、弹性区、曲面过渡区对功能稳定性的影响规律，为服装功能分区设计和结构优化提供科学依据。

再次，改性织物的性能评价体系仍需进一步统一和细化。当前不同研究在耐洗性、拉伸循环稳定性、导电稳定性、传感灵敏度、热响应速率、相变焓值及电磁屏蔽效率等指标的测试条件上差异较大，导致不同材料体系和改性方法之间缺乏可比性。未来应建立更贴近服装实际服役场景的标准化评价体系，不仅评价初始性能，还应将洗涤、汗液浸润、弯折、摩擦、拉伸循环、温湿度变化等服装实际使用条件纳入评价范畴。特别是对于柔性传感服装，应重点关注运动状态下的信号稳定性与噪声干扰水平；对于电加热服装，应关注反复通电后的电热性能衰减规律与电气安全性；对于相变温控服装，应关注多次热循环后的相变焓保持率与穿着舒适性。只有建立可重复、可比较的标准化评价体系，才能支撑构效关系模型和材料筛选标准的完善。

在服装设计层面，未来研究不应仅停留在 “材料性能提升后可用于服装” 的简单推论，而应进一步建立材料性能参数与服装结构设计之间的定量对应关系。对于防护类服装，应重点分析增强织物在冲击面、能量扩散层和缓冲层中的合理布置方式；对于传感服装，应关注电极布置位置、导电路径稳定性及人体运动干扰的抑制方法；对于热管理服装，应结合人体热敏区域分布和局部热需求差异，优化电加热单元或相变材料改性区域的空间分布。由此，功能服装设计应从传统的经验式结构叠加模式，转向材料性能、人体工学和服役场景协同驱动的科学化设计模式。未来可进一步引入人工智能算法和多目标优化方法，结合材料性能数据库、人体运动数据库和环境参数数据库，实现材料改性方案与服装结构参数的协同优化设计。

在产业化方面，前文所涉及的浸染、涂层、印刷和纺丝等改性方法虽已具备一定的实验基础，但在规模化应用中仍面临大面积均匀性、批次稳定性、产线兼容性和长期耐久性等技术瓶颈。未来应优先发展与现有纺织印染工艺高度兼容的短流程、低能耗、环保型改性技术，并重点解决功能墨水稳定性、碳纳米材料团聚控制、界面附着牢度和连续化生产装备等关键问题。同时，产业化评价不能仅关注实验室小样性能，而应转向卷对卷加工性能、批量织物一致性、服装成品耐久性及长期穿着安全性的系统验证。

此外，碳纳米材料改性纺织品的生物安全性与环境可持续性也应成为后续研究的重要内容。未来需要从材料合成、织物加工、穿着使用到废弃回收的全生命周期角度，系统评估其生物相容性、环境释放风险和回收利用可行性。特别是对于长径比较大的碳纳米管，应进一步关注其潜在的吸入和皮肤接触风险；对于 MXene 材料，应加强其长期稳定性、降解产物及环境影响的系统研究。同时，可发展水基功能墨水、绿色还原工艺、可回收界面改性体系，并探索利用纺织废料制备碳量子点等循环利用路径，以降低碳纳米材料功能纺织品的全生命周期环境负荷。

总体而言，碳纳米材料在功能服装领域的发展已由早期的单一性能验证阶段，逐步进入机理深化、结构设计和应用转化并重的关键阶段。未来研究的重点不应只是继续追求单项性能指标的提升，而应围绕跨尺度性能传递机制、三维服装成型过程中的功能网络稳定性、实际服役场景下的耐久性能评价以及绿色产业化工艺等核心科学与技术问题展开。只有将材料改性机制、织物结构调控、服装设计需求和长期服役评价真正贯通，才能推动碳纳米材料改性纺织品从实验室样品走向可穿戴、可制造、可长期使用的商业化功能服装产品。

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