基于量子隧穿效应的自感知尼龙6/石墨烯纳米复合材料多模态传感性能研究

为解决智能传感器材料在机械应力、温度和湿度等多重环境响应中的性能瓶颈，意大利萨莱诺大学团队开发了含20%石墨烯的尼龙6纳米复合材料。该材料通过量子隧穿效应（tunneling effect）实现应变灵敏度（G.F.=62）、温度灵敏度（0.175%/°C）和湿度灵敏度（β=16）的协同提升，其可逆电阻响应特性为开发轻量化多传感器集成器件提供了新思路。

　　

在智能材料领域，如何实现单一材料对多重环境刺激（如应力、温度、湿度）的协同响应一直是重大挑战。传统传感器往往需要复杂集成不同功能模块，而导电聚合物复合材料虽具有成本优势，却常面临灵敏度低、响应范围窄等问题。尤其当材料暴露于潮湿环境时，水分渗透导致的性能衰减更成为制约其实际应用的瓶颈。

意大利萨莱诺大学（University of Salerno）工业工程系的Raffaele Longo团队创新性地利用量子隧穿效应（tunneling effect），通过将膨胀石墨（EG）以20wt%浓度掺入尼龙6基质，开发出具有三重传感功能的纳米复合材料。该研究突破性地证明：当导电填料浓度略高于渗流阈值（9.4wt%）时，材料能通过调控石墨烯片层间的电子隧穿距离，实现对机械应变（ε=0.5%）、温度（20-80°C）和水分吸收（ΔM/M₀=6.5%）的同步监测，相关成果发表在《Applied Materials Today》。

研究团队采用熔融共混法制备复合材料，通过双探针法测量直流电导率，结合动态光散射（DLS）和X射线光电子能谱（XPS）表征填料分散性。应变测试采用Instron力学试验机同步记录电阻变化，温度响应通过热台控温系统监测，水分传感则结合称重法与电阻实时检测。

【材料表征与电学性能】

膨胀石墨（ABG1045）经FT-IR和XPS证实含2.77%氧元素，其片层间距增大14%的特性有利于形成隧穿导电网络。当填料体积分数达0.11（20wt%）时，电导率突增至42 S/m，渗流模型显示三维导电网络形成（指数t=2.14）。

【应变传感机制】

在弹性应变范围内（ε<0.1%），材料呈现超高应变系数（G.F.=62），远超碳纳米管复合材料（通常<10）。FESEM显示尼龙基体的珊瑚状形态与石墨烯形成强界面结合，塑性变形时电阻残余值可指示不可逆损伤。

【温度响应特性】

低于80°C时呈现稳定正温度系数（PTC）效应，归因于热膨胀增大隧穿距离。超过玻璃化转变温度（T_g≈75°C）后，聚合物链段运动引发负温度系数（NTC）行为，15次循环测试显示优异重现性。

【水分检测创新】

水分吸收导致电阻暴增250%，远超单纯溶胀预期（3%长度变化）。研究首次提出水分子在石墨烯-尼龙界面形成氢键势垒，显著提高隧穿电阻。通过焦耳热再生（50V/20min）可实现至少4次循环使用，β值稳定在16。

该研究开创性地证明：量子隧穿效应可作为通用机制协调多物理场响应。20wt%石墨烯的尼龙6复合材料兼具高灵敏度（应变62、湿度16）和稳定性（温度循环RSD<5%），其电阻-溶胀解耦机制为开发新一代环境自适应传感器提供了理论框架。特别值得注意的是，材料在塑性区的电阻记忆效应为结构健康监测提供了新思路，而界面水分子势垒调控策略则拓展了湿度传感材料的设计维度。这些发现将推动柔性电子、智能纺织和航空复合材料等领域的跨学科发展。