应变传感器是一种新型的柔性电子器件，广泛用于人体运动检测、健康监测、语音识别以及电子皮肤的构建。范德华力搭接的碳纳米管网络结构因具有较高的应变检测范围以及在应变检测中具有高稳定性与可靠性，常用于应变传感器的构建。然而，无序碳纳米管网络在拉伸时会首先发生碳纳米管朝应变方向转动，这一过程会对因滑移产生的碳纳米管搭接点数目减少而产生补偿作用，因此其应变传感的灵敏度一般不够理想（灵敏系数0.5以下），因此在需要高灵敏度的应变检测中受到许多限制。针对这一问题，国家纳米科学中心的研究人员采用垂直搭接的碳纳米管阵列结构，并通过石墨烯的原位复合有效提高两层阵列之间的应力传递，从而在两个取向方向获得灵敏度更高的应变响应。

在制备这种碳纳米管-石墨烯复合薄膜的过程中，研究人员把两层通过机械拉丝法获得的高度取向碳纳米管阵列以相互垂直的方向依次转移到铜箔表面，作为石墨烯生长的模板，经过化学气相沉积过程，最终获得彼此紧密连接的碳纳米管-石墨烯复合薄膜。研究人员结合形貌表征与有限元分析计算发现，石墨烯的复合有效提高了两层碳纳米管阵列之间的应力传递效率，进而增强了整个体系的力学稳定性，同时防止循环拉伸下碳纳米管的弯曲变形。基于这种垂直取向碳纳米管-石墨烯复合薄膜的应变传感器在两个取向方向都有着较高的应变-电阻响应，灵敏系数分别达到了2.38和2.98，相对于传统碳纳米管薄膜有了显著的提高。与此同时，这种复合结构保留了碳纳米管薄膜较高的可拉伸性（20%以上）。因此，这种复合结构既可以对小应变（如声音）进行灵敏的检测，又可以对大应变（如人体关节运动）进行准确的记录。此外，研究人员基于这种复合薄膜，制备了多通道的器件阵列，可以对平面内压力的分布进行读取。因此，这种复合薄膜在可穿戴器件与电子皮肤方面有着广泛的应用前景。

图1. 垂直搭接碳纳米管-石墨烯复合薄膜的制备与应变传感性能的比较（10%循环拉伸）。

图2. 基于垂直搭接碳纳米管-石墨烯复合薄膜的应变传感器对声音和关节运动的检测以及多通道器件阵列的构建。

该工作已于近期发表在Carbon杂志上，文章的第一作者是国家纳米科学中心2013级的硕博连读生史济东，通讯作者为国家纳米科学中心的方英研究员与李红变副研究员。该工作得到清华大学姜开利教授课题组与美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究人员的帮助与支持。该项目也得到国家自然科学基金和中科院先导项目的资助。

来源： X-MOL