碳基纳米复合材料应变传感器的研究现状

16________________________________________________^^M^__________________________2016 年增刊 I I(47)卷文章编号：1〇〇1-9731(016)增刊（II)-016-06碳基纳米复合材料应变传感器的研究现状~闫涛S潘志娟12(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州215021;2.现代丝绸国家工程实验室（苏州），江苏苏州215123)摘要：传统的金属及半导体应变计的灵敏度低、軔性及延伸性差，限制了其在高应变领域的应用，因此提高应变传感器的敏感系数及应变性能成为一个重要的发展方向，柔軔的碳基纳米复合材料应变传感器是一种有效的解决方法。

本文综述介绍了碳基纳米复合材料应变传感器的研究现状，包括：碳基纳米材料在聚合物基体中的含量、取向、分散性对应变传感器的性能的影响，不同基体复合材料传感器的制备方法以及应变传感性能，比较了它们的优缺点，为碳基纳米复合材料应变传感器的研制与开发提供参考。

关键词：碳基纳米材料；复合材料；应变传感器中图分类号：TM242 文献标识码：A0引言现代传感器将集微型化、集成化、智能化、网络化 于一身，是现代社会发展中不可缺少的重要组成部分。

传统的金属及半导体材料应变传感器只能在一个特定 的方向上产生微弱的应变且敏感度较低，为了满足现 代检测技术发展的需要，新型传感器材料的研究非常必要。

纳米材料因其具有纳米级尺寸结构及高的比表面 积，致使它们在聚合物中的均匀分散、取向难以控制[]，所以利用纳米级复合材料将是一个大的挑战。

近年来，随着碳纳米管（C N T)[2]、石墨烯（GNP)[3]、碳 纳米纤维(CNF)等多种材料的研究不断深入，纳米复 合材料在应变传感器中的应用引起了人们的关注。

碳 基纳米复合材料传感器具有高应变敏感特性、易嵌入、多功能性及多方向性等特点，使其在应变传感器中的应用得到了较大的发展。

本文主要综述介绍了碳基纳 米复合材料应变传感器的应用及研究现状。

1碳基纳米复合材料的种类及制备碳基纳米材料主要有C N T、G N P以及C N F等。

C N T是由一层或者多层碳原子形成的石墨烯片经卷曲形成的中空纳米级管状体，根据其层数分为单壁碳纳米管（SW N T)和多壁碳纳米管（M W N T)G N P的结构是共价键组成的sp2杂化结构[]，根据其层数分为单层、双层及多层石墨烯，它们都具有优异的力学性 能[5-7]，C N T和G N P还具有很好的电学性能[8-10]。

但 是单一的使用碳基纳米材料设计应变传感器只有在应 变较小时才具有线性关系且制备难度较大，一般情况DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.增刊（I).003下它们都是与聚合物或者其它无机材料复合使用。

当与聚合物复合时，碳基纳米材料在聚合物中能够在其内部形成导电网络形态[11]，可大大提高传感器 的应变范围及线性敏感度，虽然相对于单一碳基纳米材料来说，复合材料应变传感器的敏感度下降，但是具 有一个相当均匀的直线应变响应及较高的稳定性[2]。

聚合物材料的种类较多，例如P U、PV D F、P D M S等。

碳基/聚合物复合材料的制备方法主要有3种形式，其 一是将碳基纳米材料均匀分散到聚合物中，通过静电 纺丝形成纳米纤维膜或者采用直接铸膜的方法；其二 是将纳米材料均匀分散在聚合物基体表面然后再设计 制作应变传感器；其三是将纳米材料按一定的取向排列在聚合物基体中。

当与无机材料复合时，主要是通 过化学气相沉积法、喷涂或者均匀分散到金属的表面。

2碳基纳米复合材料应变传感器用碳基纳米复合材料制作的应变传感器，其主要 工作原理是碳基纳米材料在复合材料中形成的隧道效 应[13]。

制作应变传感器时主要考虑传感器的机械性能及敏感性，敏感性主要通过敏感系数反应出来，灵敏 系数计算公式如（1)所示其中，尺。

为原始电阻，L。

为应变计原始长度，A R、A L分别为电阻及应变变化量，e为应变。

2.1碳纳米管复合材料应变传感器C N T与P U以不同的方法形成复合材料。

Zhang 等[14]利用铸膜的方法将S W N T均匀沉积在具有均匀 金字塔型凸起的P U薄膜表面，并在P U凸起末端沉*基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发〔2011〕6号）收到初稿日期= 2016-01-20 收到修改稿日期= 2016-05-15 通讯作者：潘志娟，E-m ail: zhjpan@ 作者简介：闫涛（990 —）男，河南信阳人，在读硕士，师承潘志娟教授，从事功能材料的研究。

积石墨烯片形成具有压力传感性能的金字塔阵列，这 种方法形成的复合材料的透明度可达到91 %，在受到 压缩变形时具有稳定的、敏感的电容变化，其在动态加 载下负载传感能达到O.lKPa ，并具有较高的循环次 数。

R o h 等[15]将P U 、聚乙烯二氧噻吩（PEDOT )和聚 苯乙烯磺酸（PSS )形成复合材料，通过铸膜的方法形 成 PU-PEDOT : PSS /SWNT /PU-PEDOT : PSS 三 明治结构的纳米复合膜，再将这种铸膜设计应变传感 器，实验表明，此纳米复合膜具有稳定的机械性能，延 伸性高达100%，在拉伸20%〜30%时，伸缩1 000次 传感器的性能保持不变，其透光率也可达到62%，敏 感系数为62。

Darbandi 等[15]利用静电纺丝的方法将 PU /M W N T 复合材料形成纳米纤维膜，通过测试其机 械及电学性能发现，P U 具有较好的弹性，在20%以上 的应变时，复合纳米纤维膜的电导率具有很好的可恢 复性，这为纳米纤维膜结构应变传感器的设计开发奠 定了基础。

C N T 与环氧树脂基复合材料应变传感器也被广 泛研究，主要探讨了 C N T 的复合形式及含量对传感器 敏感系数的影响。

乂打^^0等[17]研究了 MWNT /环 氧树脂复合材料在轴向机械循环拉伸和不同的应变水 平下的电阻特性，当C N T 的质量分数在0.05%和 0.5 %之间时，复合材料的电阻变化与应变成直线关 系，通过控制C N T 含量应变敏感系数在0.67到4.45 之间变化，并且传感器的敏感性随C N T 含量的增加而 减小。

Eswaraiah [18]和Farahani 等[9]也证明了在低 的C N T 含量时具有更高的敏感系数。

这说明敏感系 数与C N T 在聚合物中的密度具有很大关系，并不是纳 米粒子在聚合物中的含量越高传感器的性能越好，在 较低的密度下具有较高的敏感系数。

P V D F 自身的压电性能为其在应变传感器领域的 应用奠定了基础，C N T 含量及分散状态对P V D F 压电 性能的影响被深入研究。

L i u 等[20]研究了静电纺 PVDF /M W N T 复合纳米纤维的压电性能，发现CNT 能够增加P V D F 纤维的p 相结晶度，提高P V D F 的压 电性能，Chang 等[21]通过热处理PVDF /M W N T 复合 膜，使功能化处理的M W N T 还原，提高C N T 在 P V D F 中的分散性，在保证复合材料导电率的同时保 持纤维的机械性能，当加入1.5%的M W N T 时，强力 能达到31 MPa 。

当加入5%时导电率从2X 10一12 S /cm 增加到 4X 10—8 S/cm ，但远低于 Wang 等[22]在添加1.2%时的1X 10—6 S /cm ，这与C N T 在 P V D F 中分散均匀性有关。

尺&1^11丨等[23]利用铸膜的方法将C N T 膜嵌入到 PD M S 基体中设计应变传感器，如图1，其伸长率可达 到100%，而且它沿C N T 排列轴向的灵敏系数高达 20 000。

但是其具有单向性，在拉伸100%时，如图2, 横向的灵敏系数仅仅为1左右，还不及传统传感器。

这说明C N T 在P D M S 中的分散及排列形状对传感器闫涛等:碳基纳米复合材料应变传感器的研究现状_________的性能具有重大影响。

Fig 1 Resistance change curve for the axial tension30 0 20 4060 80 100Strain/%图2 横向拉伸时电阻率的变化曲线Fig 2 Resistance change curve for transverse tensionS u 等[24]利用热化学气相沉积法将C N T 直接生 长在硅基悬臂上来感知受力的变化，具有10一7的高应 变分辨率，最大敏感系数达到744,但应变范围小，恢 复性差，不能多次循环使用。

Chang 等[25]研究了另一 种高敏感性柔韧的应变传感器加工技术，他们在聚酯 薄膜上安装金属电极，两电极间形成空隙，将薄膜移到 硅基上，利用化学气相沉淀的方法在两电极间得到高 取向的毫米级长度的SW N T ，再将聚酯基体从硅基上 分离得到柔韧的应变传感器。

结果表明，这种传感器 应变分辨率可以达到0.004%，压阻敏感系数也可达到 269，虽然分辨率及敏感系数低于S u 等的研究结果，但 是其具有更高的柔韧性及可恢复性。

这说明在复合材 料应变传感器中基体对传感器的性能具有重大影响。

C N T 与无机材料复合设计应变传感器也被广泛 研究，相对于有机材料，它们可以用于更复杂的环境。

Zhang 等[26]利用简单的喷涂覆盖技术将C N T 均匀喷 射到玻璃纤维织物表面，再将多层织物进行叠加后用 环氧树脂浸泡、固化，得到的复合材料进行剪裁得到 C N T 含量低于0.1%的复合材料应变传感器。

这种传 感器制作简单但是对小的应变敏感度不高，在大的应 变情况下敏感系数也不稳定。

Stampfer 等[27]利用原 子层沉积技术将AI2O3膜生长到硅片上，将S W N T 分 散到十二烷基硫酸钠中后滴定到AI2O3基上，通过有 序的标签引导S W N T 形成有序的取向，再利用光刻技 术将钛和金的超级薄片做电极设计应变传感器，其敏 感系数达到210。

这与有机复合材料相比敏感系数更 高，但延伸性较低。

Strain/%图3复合材料传感器敏感系数变化Fig 3 Gauge factor change of composite sensor 总的来说，G N P 复合材料应变传感器的性能不仅度是未处理时的10倍左右。

这说明填充物的性质对 传感器的性能具有重大影响。

丫已打等[33]将G N P 与纳米纤维素以质量比1 : 1 的比例混合，真空过滤形成G N P 复合纳米纸，这种复 合材料的机械性能比松软的纯G N P 高得多。

其3D 微孔结构有助于在P D M S 溶液中形成具有较好伸展 性的聚合物复合纳米纸。