石墨烯柔性導(dǎo)電線路

方冰晶 張?chǎng)瑒?葉釗源

摘要：基于擠出導(dǎo)電油墨方式的材料，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)要介紹了擠出導(dǎo)電油墨方式的3D打印研究的新進(jìn)展，并對(duì)比分析了石墨烯和碳納米管這兩種電路材料的折彎性和導(dǎo)電性，進(jìn)而對(duì)柔性導(dǎo)電電路技術(shù)研究，相關(guān)應(yīng)用等問題進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：石墨烯油墨;導(dǎo)電油墨;印刷電子;柔性電路;3D打印

一、緒論

本研究中通過3d打印技術(shù)，以石墨烯為材料，在普通a4紙打印出各種簡(jiǎn)單形狀的電路，以研究紙基下石墨烯的張力和柔韌性，以及紙基石墨烯電路在彎折后的導(dǎo)電性能。

1.1石墨烯簡(jiǎn)介

1.1.1石墨烯

本實(shí)驗(yàn)的材料為石墨烯。石墨烯具有良好的強(qiáng)度和韌性，且可以彎曲。石墨烯還具有非常好的熱傳導(dǎo)性能，光學(xué)性能，導(dǎo)電性能，因此，石墨烯被廣泛應(yīng)用于光化學(xué)電池、電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域。

1.1.2石墨烯結(jié)構(gòu)

石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化連接形成的單層碳原子晶體，它有著獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，可以看成是巨大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)，由于二維晶體有著不穩(wěn)定的熱力學(xué)性質(zhì)，因此石墨烯不管是沉積在基底上還是以自由狀態(tài)存在，其表面都有著微小的褶皺。這種微觀褶皺在縱向上的尺度在0.7-1.0nm范圍內(nèi)，橫向尺度大約為8-10nm。這種三維的變化所引起的靜電，使石墨烯單層容易聚集。表面的褶皺維持著其二維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)性質(zhì)也不同[1]。

1.1.3發(fā)展中的技術(shù)

相比于目前被廣泛使用的金屬系導(dǎo)電油墨，石墨烯具有良好的導(dǎo)電性、生物相容性、耐腐蝕性、低的熱處理溫度、柔性等。因此，它在柔性印刷電路的發(fā)展中發(fā)揮著不可或缺的作用。[2]

石墨烯膜浸泡在水中時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹，通過控制薄膜在水中的膨脹程度，可以控制薄膜的孔徑大小，從而過濾特定半徑的離子。利用這一原理，科學(xué)家研制出了石墨烯膜來(lái)分離海水中的鹽以及處理廢水[3]。

利用石墨烯的片層結(jié)構(gòu)，使用特殊的沉積方法重疊有序和無(wú)序的石墨烯納米片，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的“魚鱗”結(jié)構(gòu)。通過精細(xì)平行的多層膜的機(jī)械調(diào)諧，可以看到可變結(jié)構(gòu)的著色。通過這一原理，我們可以研制出變形或破裂時(shí)可變色的石墨烯涂層，進(jìn)而對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

1.2利用石墨烯導(dǎo)電性能的應(yīng)用

1.2.1傳感器

石墨烯良好的導(dǎo)電能力和生物相容性，使得它可以被用來(lái)制作與人體緊密接觸的各種傳感器，比如機(jī)器人傳感器。由于石墨烯有著高比表面積，使得石墨烯層整個(gè)碳原子直接與目標(biāo)分子接觸，且石墨烯材料將受體和目標(biāo)分子間的相互作用可以轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)可測(cè)量的信號(hào)。因此，石墨烯可滿足機(jī)器人傳感器對(duì)目標(biāo)細(xì)胞或分子的檢測(cè)功耗和靈敏度的需求。[4]

1.2.2電磁屏蔽

石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，它在常溫下的電子遷移率可達(dá)到15000cm2/（V·s）。石墨烯的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)片狀，當(dāng)它的原子一層一層的緊密平行排列，則可以實(shí)現(xiàn)分子之間面與面的接觸，由于接觸面大、電阻率小導(dǎo)電能力較強(qiáng)，石墨烯的特殊性能可突破石墨、碳纖維、碳納米管等材料原有的材料性能在生產(chǎn)應(yīng)用上的局限，因此它在電磁屏蔽領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。[5，6]

二、實(shí)驗(yàn)過程

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要為多材料擠出成型3D打印機(jī)和氣泵。實(shí)驗(yàn)材料為石墨烯，碳納米管的水性溶液，本實(shí)驗(yàn)通過3D打印機(jī)分別打印出石墨電路和碳納米管電路，結(jié)合折彎性和導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了石墨烯的導(dǎo)電折彎性。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

通過擠出式3D打印機(jī)，分別打印出石墨烯線材和碳納米管線材。通過控制變量法，控制兩種線材的長(zhǎng)度和線寬。測(cè)量并比較相同長(zhǎng)度和線寬的材料的電阻值。將兩種線材折彎相同角度，測(cè)量折彎后的電阻值并對(duì)比折彎前的電阻值。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

本研究采用多材料擠出成型3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯和碳納米管可折疊電路的打印。

導(dǎo)電性能及彎曲性能測(cè)試：

為了控制變量，本實(shí)驗(yàn)采取線材厚度相同，水分含量大致相同的石墨烯和碳納米管材料作為打印材料，并打印出折彎程度類似的折彎電路，對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)電性和折彎性的測(cè)量，數(shù)據(jù)測(cè)量分析結(jié)果分別如下表1，表2。

三、討論分析

3.1彎曲性能對(duì)比分析

有實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，石墨烯的折彎性能優(yōu)于碳納米管的折彎性能。

3.2導(dǎo)電性能對(duì)比分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，碳納米管的平均電阻率是石墨烯的平均電阻率的將近五倍，明顯石墨烯的導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于碳納米管，這也印證了石墨烯良好的導(dǎo)電性能。

四、結(jié)論與展望

通過本次實(shí)驗(yàn)，我們使用3D打印機(jī)設(shè)備在柔性基底上打印了石墨烯和碳納米管兩種導(dǎo)線，并對(duì)比分析了石墨烯和碳納米管的導(dǎo)電性和折彎性，驗(yàn)證了石墨烯良好的導(dǎo)電性。本次實(shí)驗(yàn)僅僅采用橫向?qū)Ρ龋瑢?duì)比了不同材料的導(dǎo)電性，但是沒有在縱向上研究石墨烯材料折彎后的導(dǎo)電性極其影響因素，因此后期可以進(jìn)一步做出更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

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[3]余少彬，張銘泰，李希成，馮萃敏，石夢(mèng)童，汪長(zhǎng)征，王強(qiáng). 新型復(fù)合納米材料用于光催化降解染料廢水的研究進(jìn)展[J].材料工程.2021.

[4]田敏.基于石墨烯的機(jī)器人用柔性溫度傳感器的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

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[6]侯思雨，任芳，伏柏橋. 石墨烯基電磁屏蔽復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].化工新型材料.2021.