用于运动监测的高度耐用的碳纳米管/石墨烯复合应变传感器

碳纳米管材料因其卓越的机械柔韧性、高电导率、良好的化学稳定性以及低成本大规模制造潜力而备受关注。然而，尽管感测范围广，碳纳米管传感器通常灵敏度较低，这一限制主要归因于一维（1D）纳米结构在应变下的重新排列和弹性。本研究提出一种高性能碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器，采用丝网印刷混合碳纳米管/石墨烯导电墨水制造。系统性地研究了传感器的电导率、应变感应行为、循环稳定性和温度稳定性。通过优化打印层数，复合薄膜实现了可调节的导电性和灵敏度。该传感器具备高达120%的广泛感应范围，计量因子超过102.5，响应时间迅速（拉伸102毫秒，恢复398毫秒），以及出色的机械稳定性——在50%应变下可承受超过5000次循环。此外，复合薄膜表现出卓越的温度稳定性，22°C至50°C间相对电阻变化不到1%。最后，制造的应力传感器和心电电极成功应用于实时运动监测和心电信号采集。

碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器的嵌入结构制造工艺如图1a所示。简而言之，碳纳米管粉末和石墨烯粉末与EC/N-丁醇溶剂混合。通过SEM表征了碳纳米管和石墨烯的形态，分别显示出管状网络和分层结构。图1b展示了测试结果，碳纳米管-石墨烯混合油墨的粘度随着剪切速率的增加而降低，适合丝网印刷。图1c显示了复合应变传感器的光学图像，显示出良好的柔韧性。碳纳米管/石墨烯（质量比为2：1）混合薄膜在PET上的SEM图像表明，石墨烯片被碳纳米管成功包围并形成导电网络，能够提供良好的电接触。PDMS浇注并聚合后，PET被剥离，复合薄膜和复合薄膜被切割成条状，形成应变传感器。图1d的碳纳米管/石墨烯/PDMS复合薄膜的上视图SEM图像，可以看到碳纳米管和石墨烯薄膜嵌入PDMS基体中，而纳米级碳纳米管则出现在复合薄膜表面。

图1.（a）碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器和柔性心电图电极的制造工艺示意图。（b）碳纳米管/石墨烯/PDMS混合导电墨水在25°C温度下的粘度。（c）碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器的光学图像。（d）碳纳米管/石墨烯混合膜在PET上的形态。

图2a显示了碳纳米管/石墨烯/PDMS复合传感器、纯碳纳米管传感器和纯石墨烯传感器的应变响应。可以看出，碳纳米管/石墨烯/PDMS复合传感器在相同拉伸条件下的相对电阻变化明显比纯碳纳米管传感器或纯石墨烯传感器更陡峭。图2b展示了碳纳米管/石墨烯/PDMS复合薄膜应变感应特性与打印层数之间的关系，分别安装了1层、2层、3层、4层和5层的碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器，有效应变响应曲线如图2b所示。随着打印次数增加，响应曲线变得陡峭，这意味着灵敏度增加，而最大感测范围在缩小。碳纳米管/石墨烯/PDMS复合薄膜应变传感器的应变响应曲线具有线性函数，可分为三级。如图2c所示，传感器的GF值为7.69，R²值为是0.961。随着应变的增加，传感器的GF达到53.09和R²为0.994，范围为15%至30%的应变。在第三阶段（30% ~ 127.11%）时，传感器的GF达到最大值102.57，相应的R²值为0.991，表明相关性和线性良好。图2d显示了碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器在0%、20%、40%、60%和80%应变下的拉伸响应曲线，延迟为5秒，表明传感器在不同拉伸条件下能保持良好稳定性且无阻力下降。

图2.（a）碳纳米管/石墨烯复合传感器、纯碳纳米管传感器和纯石墨烯传感器的相对电阻与应变曲线。（b）柔性应变传感器与1、2、3、4和5层碳纳米管/石墨烯复合膜的相对抗应变曲线；（c）在0–127.11%应变下打印的柔性应变传感器的电阻响应，插入图显示了0–30%应变范围内的详细信息。（d）复合应变传感器在0%、20%、40%、60%和80%应变下，分别延迟5秒的阻力响应曲线。（e）打印的两层传感器在0.05至0.8 Hz不同频率下，循环拉伸50%时的相对电阻响应。

为了进一步探讨碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器在不同应变幅度下的可靠性，对传感器在40%、50%、60%和70%应变下的中进行循环拉伸测试。响应曲线如图3a所示。可以明显发现该传感器对不同应变的响应良好，且具有明显的辨别能力。第一个循环电阻急剧上升的原因可能是因为第一次拉伸时薄膜表面出现裂纹，且裂纹分布不够均匀。此外，第二阶段之后的响应数据表现出良好的一致性。此外，还进行了响应时间测试，图3b显示复合传感器在30%应变下的拉伸响应时间和恢复响应时间分别为102毫秒和398毫秒。毫秒级的响应速度确保传感器能以快速拉伸速度工作。图3c显示复合应变传感器拥有超过1000次拉伸/恢复稳定时间。插入的图显示了传感器在前10个应变周期、1000 ~ 10¹⁹和4990 ~ 5000拉伸/恢复应变下的响应曲线。可以发现，尽管传感器的响应幅度有所衰减，但仍在2050 ~ 2100%之间，这表明传感器具有良好的长期周期稳定性。

图3.（a）碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器在40%、50%、60%、70%应变下的拉伸/恢复响应曲线。（b）复合应变传感器在30%应变下的响应时间。（c）复合应变传感器在50%应变下的长期稳定性响应曲线。

为了揭示碳纳米管/石墨烯混合系统相较于仅有碳纳米管传感器的应变敏感机制增强，通过SEM表征（图4a-f）、电阻-应变测试（图2a、图2c、图3c）分析了其感应行为、经典渗流理论，以及西蒙斯隧道方程。对于仅使用碳纳米管的传感器，稀疏的一维线性网络在拉伸下容易重新对准和滑动，导致导电路径变化轻微且GF极低（约1.37）;相比之下，一维碳纳米管和二维石墨烯形成了一个密集的三维互穿导电网络，碳纳米管的高宽高比将系统的渗透阈值降至约12重百分比，而我们20重的填充剂浓度（略高于该阈值）使应变下的有效导电路径呈指数级减少，直接提升灵敏度。从界面角度看，碳纳米管间的弱线对线范德华接触导致隧穿面积较小，应变下电阻变化轻微;而强π-π堆叠和碳纳米管与石墨烯大面积面对面接触则在应变下引发突变接触电阻变化（根据西蒙斯隧穿方程），进一步放大电阻响应并确保循环稳定性（图3c）。此外，1D-2D混合结构协同调控裂纹传播：连接石墨烯片的碳纳米管在小应变（0–15%）下抑制不受控制的微裂纹生长，呈现线性响应（GF=7.69，图2c），而在大应变下逐渐扩展和碳纳米管桥断开（15–127%）则在宽感应范围内达到高GF（102.57）。上述三方面的协同效应赋予混合传感器卓越的综合性能。

图4.不同拉伸状态下的碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器的SEM图像;（a）0%;（b）15%;（c）30;（d）50%;（e）恢复为0%;（f）图4e的部分放大视图图像。

为了探讨碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器在人体健康检测中的应用，将传感器安装在关节、手腕上以检测关节运动，如图5所示。图5a显示了安装在人体关节上的传感器的响应曲线。当转向节以0°、30°、60°和90°弯曲时，传感器可以对响应的弯曲角度做出准确响应。图5b显示复合传感器在弯曲和松弛过程中可以快速增加和恢复。弯曲和恢复测试结果表明，这些传感器具有极高的可靠性和耐用性，这为应用于人体运动监测提供了可行性。监测过程的光学图像见图5c、图5d和图5e分别显示了在三种速度（慢速、中速和快速）骑行时的实时心电信号和膝关节弯曲反应。三种运动模式中R峰周期间隔计算的心率分别为86次/分钟、98次/分钟和112次/分钟。同样，膝盖弯曲每分钟可达27圈、39圈和63圈，分别对应慢、中、快模式。上述检测提供了一种记录运动量和生理信号的新方法，有效避免运动期间未知的心脏风险。

图5.碳纳米管/石墨烯/PDMS复合传感器在各种人体运动监测中的相对电阻响应：（a）手腕关节，（b）手指弯曲。（c）使用碳纳米管/石墨烯/PDMS复合传感器，在运动自行车骑行中实现实时心电图和膝盖弯曲监测。在不同速度下骑行运动自行车时，心电图信号（d）和膝盖弯曲时的相对阻力响应（e）。

图6展示了便携式多通道采集系统对可穿戴手势监测的响应，手中的各种手指动作（字母表a、b、c、d）被戴着带有碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器的手套分析。当五根手指同时移动时，每个手指的动作响应会被记录并合成为复杂的多通道信号，对应独特的手势，这可能为手势翻译提供了一种新的方法。

图6.连接在智能手套上的碳纳米管/石墨烯/PDMS复合应变传感器对不同字母手势（a、b、c、d）的实时相对电阻响应。

问题1：本文提出的CNT/石墨烯/PDMS复合应变传感器在灵敏度（GF）和应变范围方面表现如何？与纯CNT或纯石墨烯传感器相比有何优势?

解答:该传感器在应变范围超过120%的条件下，灵敏度（GF）最高可达102.57（30%~127.11%应变段）。相比之下，纯CNT传感器的GF仅为1.37左右，纯石墨烯传感器虽然灵敏度高但应变范围极小（<7%）。该复合传感器通过1D CNT与2D石墨烯的协同作用，实现了高灵敏度与大应变范围的平衡，克服了单一材料的局限性。

问题2：该传感器在长期循环稳定性方面表现如何？其耐久性测试结果是否优于大多数印刷碳基应变传感器？

解答：该传感器在50%应变下进行了超过5000次拉伸-恢复循环测试，响应衰减小于10%，优于大多数印刷碳基传感器（通常衰减>20%）。文中指出，轻微的衰减主要源于PDMS基体的粘弹性滞后和导电网络的微小不可逆变化。该结果表明其具备优异的抗疲劳特性，适用于长期可穿戴健康监测。

问题3：该传感器在实际人体运动监测和医疗健康应用中展示了哪些具体功能？

解答：该传感器成功应用于多种人体运动监测场景，包括：手指、手腕关节不同角度弯曲的实时响应；安装在运动自行车上，实时监测不同速度下的膝关节弯曲频率和心电图（ECG）信号；集成到智能手套中，实现手势识别（如字母a、b、c、d对应的手势）。

Highly durable and printable carbon nanotube/graphene composite strain sensor for motion monitoring

https://doi.org/10.1016/j.sna.2026.117859