Page 58 - 《精细化工》2023年第12期
P. 58
·2600· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷
1.2 重叠-断开机制 主要包括隧穿效应和欧姆电导，导电机理与导电填
重叠-断开机制常被用来解释由柔性聚合物和多 料的含量密切相关 [28] 。隧穿效应是指当聚合物内部
维度导电纳米材料组成的 CPCs 的应变传感机制 [23] 。 的电子等微观粒子之间的间距达到一定的范围时，
对于多维度导电纳米填料而言（如二维石墨烯纳米 微观粒子可以通过势垒形成导电通路，而此时微观
片层），填料在聚合物基体内部或表面存在大量重 粒子之间并不是直接相互接触。隧穿效应是一种在
叠。随着应变传感器的拉伸或变形，导电纳米填料 聚合物基复合材料（如石墨烯/聚合物）中被广泛观
由于界面结合较弱而发生滑移，导电纳米填料与柔 察到的现象。应变传感器在变形过程中隧道距离的
性聚合物之间存在较大的刚度失配，连续导电填料 增加和导电路径的破坏导致了电阻的显著增加。相
网络发生变形甚至断裂，导电填料重叠面积减小， 反，在应变恢复过程中，导电纳米材料可以返回到
从而导致电阻增大；形变恢复后导电网络随之恢复， 初始位置，以减小隧道距离并恢复导电路径，从而
电阻降低 [26] 。例如：LI 等 [27] 基于 RGO 包覆的 PU 导致电阻降低 [29-30] 。因此，隧穿效应和应变下导电
纤维垫，制备了一种高拉伸和超灵敏的应变传感器。 路径的变化是基于 CPCs 的应变传感器的主要传感
该柔性应变传感器的传感机制为互相接触的 RGO 机制，特别是基于填充型 CPCs 的应变传感器 [31] 。
片层之间的重叠区域和接触电阻的可逆变化。 对于柔性压阻式应变传感器而言，尽管存在以
1.3 隧穿效应机制 上 3 种不同的应变响应机制，但其高度依赖于导电
CPCs 的导电性能不仅归因于导电纳米材料之 填料在可变形聚合物基体内部或表面的网络结构，
间的直接物理接触，还归因于相邻导电纳米材料之 其传感机制往往是几种机制的相互组合，而不是单
间的隧穿或跳跃 [24] 。CPCs 的导电机理如图 3 所示， 独存在的 [32] 。
图 3 导电聚合物复合材料的导电机理示意图 [28]
Fig. 3 Schematic illustration of conductive mechanism of CPCs [28]
对于基于石墨烯和聚合物的三维多孔结构的柔 流降低；随着应变的逐渐增大，裂纹间隙和裂纹密
性应变传感器而言，其传感机制具有特殊性。当导 度逐渐扩大，进一步降低了 CB 层的电导率（如图
电填料涂覆于聚合物泡沫表面时，其传感机制主要 4b 和 c 中的 A 区域所示，其中 ΔR/R 0 为电阻的相对变
为裂纹扩展和断开机制，因为裂纹在拉伸变形过程 化率，R 0 为样品初始电阻，ΔR=R–R 0 ，R 为样品电阻，
中容易在脆性导电层中传播；而对于导电填料分布 ΔR 为样品电阻的变化）；当施加应变达到一定值时，
于聚合物基体内部的柔性多孔应变传感器，其传感 CB@PU 骨架开始接触，CB 层之间形成了更多的导
机制则主要为导电网络的断开机制和隧穿效应的相 电通路，导致电阻降低，电流增大（如图 4b 和 c 中
互组合共同控制 [33] 。 的 B 区域所示），即裂纹扩展和重叠-断开机制同时起
WU 等 [34] 报道了一种 CB 涂覆于 PU 海绵的多孔 作用；持续增加压力和应变将导致样品电阻的持续
泡沫应变传感器，CB@PU 传感器在施加小应变时 降低和电流的持续增大（如图 4b 和 c 中的 C 区域所
电阻会增加，但在高应变时电阻会降低，如图 4 所 示）。因此，连续压缩变形过程中的协同作用使
示。当对 CB@PU 海绵施加小应变时，CB 层中的微 CB@PU 海绵不仅能检测大应变/压力范围内的变形，
裂纹断开，局部导电通路的断开导致电阻增大，电 而且能以高灵敏度检测小应变/压力。
