高灵敏度MWCNT@CuNp/硅橡胶柔性应变传感器的研制及其在人体运动监测与复合材料结构健康诊断中的应用

本研究针对柔性应变传感器(FSS)在灵敏度、线性度和机械耐久性方面的技术瓶颈，通过创新性地将多壁碳纳米管(MWCNT)与铜纳米颗粒(CuNP)复合于硅橡胶(SR)基底，开发出具有三层夹层结构的MWCNT@CuNp/SR传感器。该传感器在0-80%应变范围内实现8.09的应变系数(GF)和0.99的高线性度(R2)，耐久性测试显示其可稳定工作1200次循环，性能超越同类SR@MWCNT@AgNp传感器200%，为可穿戴设备和智能材料监测提供了突破性解决方案。

　　

在可穿戴技术和智能材料快速发展的今天，柔性应变传感器(FSS)因其能精准监测机械变形而备受关注。然而，现有传感器常面临灵敏度与耐久性难以兼得的困境——要么像传统金属应变片那样刚性易损，要么如某些聚合物基传感器般响应迟缓。更棘手的是，人体运动监测需要传感器在反复大变形下保持信号稳定性，而复合材料结构健康诊断则要求同时具备高线性度和宽检测范围。这些矛盾需求促使研究人员不断探索新型导电纳米复合材料。

针对这一挑战，来自印度尼西亚教育奖学金(BPI)资助的研究团队在《Synthetic Metals》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将多壁碳纳米管(MWCNT)的高导电性与铜纳米颗粒(CuNP)的优异机电耦合特性相结合，通过"三明治"结构设计，开发出MWCNT@CuNp/硅橡胶(SR)柔性应变传感器。这项研究不仅解决了传统传感器性能单一的问题，更通过材料协同效应实现了灵敏度与耐久性的双重飞跃。

研究采用扫描电镜(SEM)观察导电层形貌，通过万能试验机进行拉伸测试，结合数字万用表实时监测电阻变化，系统评估了传感器的应变系数(GF)、线性度和循环稳定性。特别值得注意的是，团队建立了包含1200次加载-卸载循环的加速老化实验，模拟实际应用中的长期机械疲劳。

形态学分析揭示材料协同机制
SEM图像显示，MWCNT在SR基质中形成三维导电网络，CuNP则填充于纳米管间隙。这种"钢筋-混凝土"式结构在80%应变下仍保持完整性，解释了材料超高延展性的本质原因。

性能对比展现技术优势
与文献报道的TPU/MWCNT传感器(GF=1.08)和石墨烯/PDMS传感器(GF=2.6)相比，MWCNT@CuNp/SR的GF值达8.09，且线性区间扩展至80%。耐久性测试中，电阻波动幅度始终小于5%，远优于同类产品。

应用验证拓展使用场景
研究团队成功将传感器集成于电子皮肤系统，实时捕捉手指、膝关节等部位的细微运动；在PLA/玻璃纤维/PLA复合材料弯曲测试中，传感器准确记录了层间应变传递过程，证实其在结构健康监测中的实用价值。

这项研究的创新性主要体现在三个方面：首先，首次系统论证了MWCNT与CuNP在SR基质中的协同增强效应，通过调控纳米填料界面相互作用，实现200%的灵敏度提升；其次，开发的"三明治"结构有效抑制了导电通路断裂，解决了柔性传感器在大变形下的信号失稳问题；最重要的是，研究建立了从材料制备、性能优化到应用验证的完整技术路线，为柔性电子器件的工业化生产提供了理论依据。

正如作者Muhammad Luthfi Hakim在结论部分强调的，这种MWCNT@CuNp/SR传感器不仅填补了高灵敏度与高耐久性难以兼得的技术空白，其模块化设计思想更为开发下一代智能传感系统指明了方向。未来，通过进一步优化纳米填料分散工艺和界面结合强度，这类传感器有望在医疗康复机器人、航空航天复合材料监测等领域发挥更大作用。该研究成果标志着柔性电子技术向实际应用迈出了关键一步。