高分子納米復(fù)合材料是材料科學(xué)領(lǐng)域新興的研究方向之一。以碳納米管（CNTs）和石墨烯為代表的新型碳納米材料由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在高分子納米復(fù)合材料領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣。但是，如何將碳納米材料分散在高分子基體并確保已經(jīng)分散的納米顆粒在復(fù)合材料制備過程中（如加熱、加壓等）的穩(wěn)定性，是制備高性能納米復(fù)合材料的關(guān)鍵。納米材料具有巨大的比表面積，利用這一特性構(gòu)筑具有宏觀多孔、微觀處于納米分散體結(jié)構(gòu)的泡沫材料為實(shí)現(xiàn)碳納米顆粒的分散提供了一種新的手段。通常采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）可有效制備CNT、石墨烯等碳納米泡沫材料。但該法常以泡沫鎳、銅等金屬為模板，所得材料在使用過程中須用強(qiáng)酸將金屬模板去除，這難免會(huì)對(duì)碳納米材料的結(jié)構(gòu)和性能帶來負(fù)面影響。
中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程領(lǐng)銜的復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)在CNT泡沫材料的制備和應(yīng)用研究領(lǐng)域取得一系列進(jìn)展：研究人員以廉價(jià)的商業(yè)化高分子泡沫材料（價(jià)格是泡沫鎳的1/10）為模板，通過控制實(shí)驗(yàn)條件使催化劑的原位生成、高分子模板的部分熱裂解去除以及納米材料的生長(zhǎng)等過程同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了CNT泡沫體的高效、可控生長(zhǎng)（圖1A）。所得納米泡沫材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、疏水和吸附性能，可吸附自身30-80倍重量的有機(jī)溶劑和未聚合的液態(tài)高分子樹脂（圖1B）。此外，該方法可制備出任意形狀的CNT泡沫，這為相應(yīng)高分子納米復(fù)合材料的制備提供了極大便利，泡沫體宏觀所呈現(xiàn)出的聚集狀態(tài)也解決了納米顆粒在高分子基體中分散難以控制的問題。該方法還具有較好的普適性，如以天然棉紗或石墨烯泡沫材料為模板，可分別獲得具有微米-納米層級(jí)結(jié)構(gòu)的材料或碳納米雜化泡沫材料。
科研人員充分利用CNT泡沫體的孔狀結(jié)構(gòu)和吸附性能，以聚二甲基硅氧烷為基體，同時(shí)結(jié)合樹脂自浸潤(rùn)法制備了三維高分子納米復(fù)合材料（圖1C），研究了材料的力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)材料具有獨(dú)特的壓阻效應(yīng)（材料在外力作用下電阻發(fā)生線性或非線性變化行為），并以此為基礎(chǔ)研發(fā)出基于三維高分子納米復(fù)合體系的柔性應(yīng)變傳感器件。該器件在不同條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料應(yīng)變的高靈敏度檢測(cè)，如在壓縮情況下材料穩(wěn)定的應(yīng)變響應(yīng)范圍可達(dá)53%（對(duì)應(yīng)的靈敏度因子為30.0），在拉伸條件下可達(dá)69%（對(duì)應(yīng)靈敏度因子為9.9）。此外，該柔性傳感器在一定的拉伸或壓縮應(yīng)變條件下均表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖1中D和E）。研究人員利用自行研發(fā)的掃描電鏡-微型原位力學(xué)測(cè)試裝置（圖1F），研究了上述器件在應(yīng)力條件下的實(shí)時(shí)微觀斷裂行為，發(fā)現(xiàn)器件的電阻行為與導(dǎo)電填料CNT泡沫骨架的變化、內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展（圖1G）等多個(gè)因素相關(guān)，并從微觀形貌和結(jié)構(gòu)變化角度上對(duì)傳感材料的力-電耦合行為進(jìn)行了解釋。該柔性應(yīng)變傳感器可以以多種方式結(jié)合到實(shí)際應(yīng)用中，如檢測(cè)手指彎曲、制成電子皮膚顯示材料應(yīng)力分布狀況、接入電路指示材料所處的應(yīng)變狀態(tài)等，在可穿戴設(shè)備、柔性電子顯示、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
部分科研成果已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利并獲得授權(quán)，有關(guān)三維高分子納米復(fù)合材料用于柔性傳感器件方面的研究工作近期發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)I(yè)雜志Composites Science and Technology上。該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家“千人計(jì)劃”、自然科學(xué)基金以及中科院精細(xì)化學(xué)品產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟等的支持。
圖：三維高分子納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用
（A：以高分子海綿為模板制備的CNT泡沫材料；B：CNT泡沫的疏水及吸附性能；C：柔性CNT泡沫/PDMS三維高分子納米復(fù)合材料；D和E：基于三維高分子納米復(fù)合材料的柔性傳感器件在多次拉伸和壓縮條件下的壓阻行為；F：用于研究材料在負(fù)載條件下實(shí)時(shí)微觀斷裂行為的微型原位力學(xué)測(cè)試裝置；G：三維高分子納米復(fù)合材料在不同負(fù)載條件下內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展情況）
