石墨烯柔性導電線路

方冰晶 張霈勻 葉釗源

摘要：基于擠出導電油墨方式的材料，本文結合實驗簡要介紹了擠出導電油墨方式的3D打印研究的新進展，并對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電性，進而對柔性導電電路技術研究，相關應用等問題進行綜述。

關鍵詞：石墨烯油墨;導電油墨;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，以石墨烯為材料，在普通a4紙打印出各種簡單形狀的電路，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電性能。

1.1石墨烯簡介

1.1.1石墨烯

本實驗的材料為石墨烯。石墨烯具有良好的強度和韌性，且可以彎曲。石墨烯還具有非常好的熱傳導性能，光學性能，導電性能，因此，石墨烯被廣泛應用于光化學電池、電子學、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等領域。

1.1.2石墨烯結構

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，它有著獨特的二維結構，可以看成是巨大的蜂窩狀結構網，由于二維晶體有著不穩定的熱力學性質，因此石墨烯不管是沉積在基底上還是以自由狀態存在，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，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構的穩定性，褶皺大小不同，石墨烯所表現出來的電學性質也不同[1]。

1.1.3發展中的技術

相比于目前被廣泛使用的金屬系導電油墨，石墨烯具有良好的導電性、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展中發揮著不可或缺的作用。[2]

石墨烯膜浸泡在水中時會發生膨脹，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，科學家研制出了石墨烯膜來分離海水中的鹽以及處理廢水[3]。

利用石墨烯的片層結構，使用特殊的沉積方法重疊有序和無序的石墨烯納米片，可以實現獨特的“魚鱗”結構。通過精細平行的多層膜的機械調諧，可以看到可變結構的著色。通過這一原理，我們可以研制出變形或破裂時可變色的石墨烯涂層，進而對裂紋進行檢測。

1.2利用石墨烯導電性能的應用

1.2.1傳感器

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

1.2.2電磁屏蔽

石墨烯具有優良的導電性，它在常溫下的電子遷移率可達到15000cm2/（V·s）。石墨烯的結構呈現片狀，當它的原子一層一層的緊密平行排列，則可以實現分子之間面與面的接觸，由于接觸面大、電阻率小導電能力較強，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應用上的局限，因此它在電磁屏蔽領域有著廣闊的發展前景。[5，6]

二、實驗過程

2.1實驗設備

本實驗的設備主要為多材料擠出成型3D打印機和氣泵。實驗材料為石墨烯，碳納米管的水性溶液，本實驗通過3D打印機分別打印出石墨電路和碳納米管電路，結合折彎性和導電性實驗，對比分析了石墨烯的導電折彎性。

2.2實驗方法

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

2.3實驗結果及對比分析

本研究采用多材料擠出成型3D打印設備，實現對石墨烯和碳納米管可折疊電路的打印。

導電性能及彎曲性能測試：

為了控制變量，本實驗采取線材厚度相同，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，對其進行導電性和折彎性的測量，數據測量分析結果分別如下表1，表2。

三、討論分析

3.1彎曲性能對比分析

有實驗結果對比分析可知，石墨烯的折彎性能優于碳納米管的折彎性能。

3.2導電性能對比分析

由實驗結果對比可知，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，明顯石墨烯的導電性遠遠優于碳納米管，這也印證了石墨烯良好的導電性能。

四、結論與展望

通過本次實驗，我們使用3D打印機設備在柔性基底上打印了石墨烯和碳納米管兩種導線，并對比分析了石墨烯和碳納米管的導電性和折彎性，驗證了石墨烯良好的導電性。本次實驗僅僅采用橫向對比，對比了不同材料的導電性，但是沒有在縱向上研究石墨烯材料折彎后的導電性極其影響因素，因此后期可以進一步做出更深入的研究。

參考文獻：

[1]Ersan G，Apul O G，Perreault F，et al. Adsorption of organic contaminants by graphene nanosheets： A reviewj） Water Research，2017，126：385-398.

[2]曲一飛，王琪，戴紅旗.用于柔性印刷電子中的石墨烯及其復合材料油墨的研究進展[J].功能材料，2020，51（11）：11031-11041.

[3]余少彬，張銘泰，李希成，馮萃敏，石夢童，汪長征，王強. 新型復合納米材料用于光催化降解染料廢水的研究進展[J].材料工程.2021.

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

[5]宋盛菊，李永遠，袁本立，雍穎瓊，劉焱飛，凌云.石墨烯特性及在軍事領域的應用研究進展[J].化工新型材料.2021.

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