纳米材料参数对CNT/GNP混杂聚集聚合物应变传感器热阻性与导电性的协同调控机制

研究人员针对碳纳米管(CNT)/石墨烯纳米片(GNP)混杂聚合物应变传感器在温度与应变耦合作用下的电学性能调控难题，通过建立考虑隧道效应的渗流模型，揭示了GNP体积分数1.3 vol.%的渗流阈值规律，发现CNT长径比从370降至250可使1 vol.% CNT复合材料的压阻灵敏度提升60%，温度升高110°C导致20 nm直径CNT复合材料电阻下降40%，为智能传感器设计提供理论依据。

　　

在智能材料领域，碳纳米管(CNT)和石墨烯纳米片(GNP)填充的聚合物复合材料因其独特的压阻和热阻特性备受关注。这类材料能通过电阻变化感知外界应变和温度，在结构健康监测、柔性电子器件等领域具有广阔应用前景。然而，混杂填料体系中CNT与GNP的协同作用机制尚不明确，特别是温度变化对导电网络的影响缺乏定量描述。传统理论模型难以解释填料几何参数（如长径比、取向度）与聚集态对电学性能的协同调控规律，制约了高性能传感器的精准设计。

针对这一科学难题，来自国内的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表研究，通过建立多尺度渗流模型结合蒙特卡洛模拟，系统分析了CNT/GNP混杂体系的压阻-热阻耦合效应。研究创新性地引入电子隧道效应和热激活跳跃传导机制，构建了考虑填料几何特征的三维导电网络模型，首次揭示了温度变化下混杂填料间距对电荷传输的调控规律。

关键技术方法包括：1) 基于代表性体积单元(RVE)构建CNT棒状与GNP盘状填料的几何模型；2) 采用渗流理论预测隧道电导率与温度依赖关系；3) 通过蒙特卡洛算法将导电网络转化为等效电路；4) 结合基尔霍夫定律建立电导矩阵计算整体电阻。

Modeling method
研究提出新型分析模型，将CNT本征电阻与隧道电阻整合至渗流网络。通过定义CNT接触角阈值判定导电通路，建立考虑温度影响的隧道电阻公式：G_t
∝exp(-2χd)exp(-E_b
/k_B
T)，其中χ为衰减系数，d为填料间距，E_b
为势垒高度。

Results and discussion
当GNP横向尺寸为1μm时，渗流阈值出现在1.3 vol.%浓度。CNT长径比从370降至250时，1 vol.% CNT复合材料在1.5%应变下的压阻响应提升60%。温度升高110°C使直径20nm、长度1.5μm的CNT复合材料电阻降低40%，证实热激活跳跃主导电导行为。

Conclusion
该研究阐明了CNT聚集半径与GNP含量对导电网络演变的调控规律：1) 填料部分取向排列比随机分布更易形成渗流通路；2) 温度升高通过促进电子跃迁抵消基体热膨胀的电阻增大效应；3) CNT与GNP的几何互补性可协同降低渗流阈值。这些发现为开发温度自补偿型应变传感器提供理论指导。

讨论部分强调，该模型首次定量描述了混杂填料体系中温度-应变双敏感机制，突破传统单填料模型的局限性。通过揭示CNT长径比与GNP尺寸的协同效应，为航空航天领域轻量化传感器的材料参数优化提供设计准则。未来研究可拓展至动态载荷条件下的网络重构机制分析。