碳纳米管巴基纸（BP）的高灵敏度应变与温度传感性能优化及机理研究

【编辑推荐】研究人员针对碳纳米管巴基纸（BP）传感器灵敏度不足的问题，通过退火（annealing）、沸腾溶剂处理及压实（compaction）等后处理工艺优化，实现了应变系数（GF）>170和电阻温度系数（TCR）?0.0064 %/°C的突破性性能，揭示了CNT网络形变与电子跃迁的协同作用机制，为柔性电子器件在健康监测、可穿戴设备等领域的应用提供了新材料解决方案。

　　

在柔性电子和智能传感领域，如何实现高灵敏度、轻量化的应变与温度同步检测一直是技术难点。传统金属或半导体传感器往往受限于刚性结构或低灵敏度，难以满足可穿戴设备、航空航天结构健康监测等场景需求。碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT）巴基纸（Buckypaper, BP）因其独特的导电网络和力学性能被视为理想候选材料，但未经处理的BP存在应变系数（Gauge Factor, GF）低、温度响应不稳定的问题。

为突破这一瓶颈，研究人员系统探究了后处理工艺对BP传感性能的影响。通过退火（annealing）、沸腾溶剂处理和压实（compaction）的组合优化，成功将GF提升至170以上，同时获得?0.0064 %/°C的电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance, TCR）。结合扫描电子显微镜（SEM）形貌分析和原位拉伸测试，研究揭示了应变导致CNT网络解缠结（减少CNT-CNT接触点）而增阻，而升温促进电子跨管跃迁（inter-tube hopping）而降阻的双重机制。

关键技术方法包括：（1）BP后处理工艺（退火、溶剂处理、压实）；（2）压阻性能测试（加载/卸载循环）；（3）温度敏感性实验（加热/冷却循环）；（4）SEM形貌表征；（5）原位拉伸下的电学响应监测。

研究结果分为三部分：

1. 后处理工艺优化：退火与压实联用显著提升GF，沸腾溶剂处理则主要改善温度响应稳定性。
2. 应变响应机制：SEM显示应变使CNT伸直并分离，减少导电通路，导致电阻上升。
3. 温度敏感性：升温促进电子跃迁，降低电阻，TCR负值特性与半导体性CNT主导有关。

结论部分强调，该研究不仅为高性能柔性传感器设计提供了工艺范式，还通过多尺度表征阐明了CNT网络的电-力-热耦合机制。其轻量化、高灵敏的特性在桥梁裂缝监测、人体运动捕捉等领域具有明确的应用前景。论文发表于《Sensors International》，为新型功能材料的产业化应用奠定了实验与理论基础。