中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳納米材料，例如碳納米管（CNT），炭黑（CB），石墨和石墨烯，表現(xiàn)出出色的電性能，并且在外力作用下可以輕松地在各種非導(dǎo)電聚合物材料中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。碳納米材料的這些獨(dú)特特性已被用于響應(yīng)外力（壓縮，拉力等）的敏感應(yīng)變傳感器的開(kāi)發(fā)。
為實(shí)現(xiàn)碳納米材料在傳感設(shè)備開(kāi)發(fā)中的實(shí)際應(yīng)用，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出由基質(zhì)和碳納米填料組成的碳納米復(fù)合材料。同時(shí)，還進(jìn)行了各種努力來(lái)使碳納米填料官能化以增強(qiáng)其機(jī)電性能。碳填充劑（例如CNT），官能化的CNT，炭黑（CB），石墨和石墨烯已用于制造用于傳感的納米復(fù)合材料設(shè)備。
納米填料在基體中的分散性及其性能和傳感能力可以通過(guò)控制加工條件、原料特性、納米填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt％）、納米填料電導(dǎo)率和聚合物基體的阻隔高度來(lái)優(yōu)化。相關(guān)研究已通過(guò)隧穿效應(yīng)研究驗(yàn)證了碳納米材料在非導(dǎo)電聚合物中的電性能，以表征聚合物基質(zhì)中隨機(jī)分布的碳納米顆粒的傳感能力。這些雜化納米復(fù)合材料比由聚合物中的單一碳納米材料組成的納米復(fù)合材料顯示出更好的機(jī)械性能，光能密度和壓阻。然而，這些納米復(fù)合材料的材料性質(zhì)由于其在壓縮下的柔韌性和敏感性而限制了其實(shí)際應(yīng)用。
在蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)學(xué)院Changyoon Jeong和Young-Bin Park的一項(xiàng)研究中，使用在聚二甲基硅氧烷（PDMS）矩陣中由一維多壁CNT（MWCNT）和二維剝離石墨納米片（xGnPs）組成的混合納米復(fù)合材料制造了壓縮應(yīng)變傳感器。同時(shí)還研究了復(fù)合傳感器的壓阻效應(yīng)以及MWCNTs和xGnPs對(duì)雜化納米復(fù)合材料電學(xué)和機(jī)械性能的協(xié)同作用。
在研究中，他們制造了具有納米填料wt％，兩種尺寸不同的xGnP和各種xGnP：MWCNT比的柔性壓阻壓縮傳感器（表1）。加工后的樣品因其柔韌性而易于壓縮變形，并顯示出壓阻效應(yīng)。通過(guò)控制碳納米填料在基體中的分散和分布，優(yōu)化了納米復(fù)合材料的電性能（方案1）。
方案1.雜化納米復(fù)合材料的制備工藝
表1.雜化納米復(fù)合材料機(jī)電性能隨xGnP尺寸、填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)及xGnP：MWCNT比值
研究表明xGnPs，MWCNTs和PDMS聚合物組成的雜化納米復(fù)合材料在壓縮狀態(tài)下的電學(xué)和力學(xué)性能存在如下特點(diǎn)：
1)納米填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加提高復(fù)合材料的壓縮模量并降低其規(guī)格系數(shù)。這表明填料的重量分?jǐn)?shù)影響復(fù)合材料的機(jī)械性能，而其壓縮敏感性則受壓縮過(guò)程中其他導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成的影響。
2)xGnP的大小會(huì)影響雜化納米復(fù)合材料的電氣和機(jī)械性能。具有M5 xGnPs的納米復(fù)合材料比具有M15 xGnPs的納米復(fù)合材料具有更好的機(jī)械性能。
3)復(fù)合材料的電性能取決于納米填料的尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。除這些因素，雜化納米復(fù)合材料的機(jī)械和電學(xué)性質(zhì)與xGnP：MWCNT的比例密切相關(guān)，而與納米填料的大小和質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。
4)納米復(fù)合材料的壓縮模量隨xGnP：MWCNT比的降低而增加。隨著xGnP：MWCNT比的增加，納米復(fù)合材料的尺寸因數(shù)增加，xGnP：MWCNT的比率和納米填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響納米復(fù)合材料在壓縮下的壓縮模量和敏感性。MWCNT比率與納米填料的尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。
相關(guān)文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03012
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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