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摘要：基于挤出导电油墨方式的材料，本文结合实验简要介绍了挤出导电油墨方式的3D打印研究的新进展，并对比分析了石墨烯和碳纳米管这两种电路材料的折弯性和导电性，进而对柔性导电电路技术研究，相关应用等问题进行综述。
关键词：石墨烯油墨;导電油墨;印刷电子;柔性电路;3D打印
一、绪论
本研究中通过3d打印技术，以石墨烯为材料，在普通a4纸打印出各种简单形状的电路，以研究纸基下石墨烯的张力和柔韧性，以及纸基石墨烯电路在弯折后的导电性能。
1.1石墨烯简介
1.1.1石墨烯
本实验的材料为石墨烯。石墨烯具有良好的强度和韧性，且可以弯曲。石墨烯还具有非常好的热传导性能，光学性能，导电性能，因此，石墨烯被广泛应用于光化学电池、电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域。
1.1.2石墨烯结构
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化连接形成的单层碳原子晶体，它有着独特的二维结构，可以看成是巨大的蜂窝状结构网，由于二维晶体有着不稳定的热力学性质，因此石墨烯不管是沉积在基底上还是以自由状态存在，其表面都有着微小的褶皱。这种微观褶皱在纵向上的尺度在0.7-1.0nm范围内，横向尺度大约为8-10nm。这种三维的变化所引起的静电，使石墨烯单层容易聚集。表面的褶皱维持着其二维结构的稳定性，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学性质也不同[1]。
1.1.3发展中的技术
相比于目前被广泛使用的金属系导电油墨，石墨烯具有良好的导电性、生物相容性、耐腐蚀性、低的热处理温度、柔性等。因此，它在柔性印刷电路的发展中发挥着不可或缺的作用。[2]
石墨烯膜浸泡在水中时会发生膨胀，通过控制薄膜在水中的膨胀程度，可以控制薄膜的孔径大小，从而过滤特定半径的离子。利用这一原理，科学家研制出了石墨烯膜来分离海水中的盐以及处理废水[3]。
利用石墨烯的片层结构，使用特殊的沉积方法重叠有序和无序的石墨烯纳米片，可以实现独特的“鱼鳞”结构。通过精细平行的多层膜的机械调谐，可以看到可变结构的着色。通过这一原理，我们可以研制出变形或破裂时可变色的石墨烯涂层，进而对裂纹进行检测。
1.2利用石墨烯导电性能的应用
1.2.1传感器
石墨烯良好的导电能力和生物相容性，使得它可以被用来制作与人体紧密接触的各种传感器，比如机器人传感器。由于石墨烯有着高比表面积，使得石墨烯层整个碳原子直接与目标分子接触，且石墨烯材料将受体和目标分子间的相互作用可以转化为可检测可测量的信号。因此，石墨烯可满足机器人传感器对目标细胞或分子的检测功耗和灵敏度的需求。[4]
1.2.2电磁屏蔽
石墨烯具有优良的导电性，它在常温下的电子迁移率可达到15000cm2/（V·s）。石墨烯的结构呈现片状，当它的原子一层一层的紧密平行排列，则可以实现分子之间面与面的接触，由于接触面大、电阻率小导电能力较强，石墨烯的特殊性能可突破石墨、碳纤维、碳纳米管等材料原有的材料性能在生产应用上的局限，因此它在电磁屏蔽领域有着广阔的发展前景。[5，6]
二、实验过程
2.1实验设备
本实验的设备主要为多材料挤出成型3D打印机和气泵。实验材料为石墨烯，碳纳米管的水性溶液，本实验通过3D打印机分别打印出石墨电路和碳纳米管电路，结合折弯性和导电性实验，对比分析了石墨烯的导电折弯性。
2.2实验方法
通过挤出式3D打印机，分别打印出石墨烯线材和碳纳米管线材。通过控制变量法，控制两种线材的长度和线宽。测量并比较相同长度和线宽的材料的电阻值。将两种线材折弯相同角度，测量折弯后的电阻值并对比折弯前的电阻值。
2.3实验结果及对比分析
本研究采用多材料挤出成型3D打印设备，实现对石墨烯和碳纳米管可折叠电路的打印。
导电性能及弯曲性能测试：
为了控制变量，本实验采取线材厚度相同，水分含量大致相同的石墨烯和碳纳米管材料作为打印材料，并打印出折弯程度类似的折弯电路，对其进行导电性和折弯性的测量，数据测量分析结果分别如下表1，表2。
三、讨论分析
3.1弯曲性能对比分析
有实验结果对比分析可知，石墨烯的折弯性能优于碳纳米管的折弯性能。
3.2导电性能对比分析
由实验结果对比可知，碳纳米管的平均电阻率是石墨烯的平均电阻率的将近五倍，明显石墨烯的导电性远远优于碳纳米管，这也印证了石墨烯良好的导电性能。
四、结论与展望
通过本次实验，我们使用3D打印机设备在柔性基底上打印了石墨烯和碳纳米管两种导线，并对比分析了石墨烯和碳纳米管的导电性和折弯性，验证了石墨烯良好的导电性。本次实验仅仅采用横向对比，对比了不同材料的导电性，但是没有在纵向上研究石墨烯材料折弯后的导电性极其影响因素，因此后期可以进一步做出更深入的研究。
参考文献：
[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]曲一飞，王琪，戴红旗.用于柔性印刷电子中的石墨烯及其复合材料油墨的研究进展[J].功能材料，2020，51（11）：11031-11041.
[3]余少彬，张铭泰，李希成，冯萃敏，石梦童，汪长征，王强. 新型复合纳米材料用于光催化降解染料废水的研究进展[J].材料工程.2021.
[4]田敏.基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器的研究[D].合肥工业大学，2015.
[5]宋盛菊，李永远，袁本立，雍颖琼，刘焱飞，凌云.石墨烯特性及在军事领域的应用研究进展[J].化工新型材料.2021.
[6]侯思雨，任芳，伏柏桥. 石墨烯基电磁屏蔽复合材料的研究进展[J].化工新型材料.2021.
关键词：石墨烯油墨;导電油墨;印刷电子;柔性电路;3D打印
一、绪论
本研究中通过3d打印技术，以石墨烯为材料，在普通a4纸打印出各种简单形状的电路，以研究纸基下石墨烯的张力和柔韧性，以及纸基石墨烯电路在弯折后的导电性能。
1.1石墨烯简介
1.1.1石墨烯
本实验的材料为石墨烯。石墨烯具有良好的强度和韧性，且可以弯曲。石墨烯还具有非常好的热传导性能，光学性能，导电性能，因此，石墨烯被广泛应用于光化学电池、电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域。
1.1.2石墨烯结构
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化连接形成的单层碳原子晶体，它有着独特的二维结构，可以看成是巨大的蜂窝状结构网，由于二维晶体有着不稳定的热力学性质，因此石墨烯不管是沉积在基底上还是以自由状态存在，其表面都有着微小的褶皱。这种微观褶皱在纵向上的尺度在0.7-1.0nm范围内，横向尺度大约为8-10nm。这种三维的变化所引起的静电，使石墨烯单层容易聚集。表面的褶皱维持着其二维结构的稳定性，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学性质也不同[1]。
1.1.3发展中的技术
相比于目前被广泛使用的金属系导电油墨，石墨烯具有良好的导电性、生物相容性、耐腐蚀性、低的热处理温度、柔性等。因此，它在柔性印刷电路的发展中发挥着不可或缺的作用。[2]
石墨烯膜浸泡在水中时会发生膨胀，通过控制薄膜在水中的膨胀程度，可以控制薄膜的孔径大小，从而过滤特定半径的离子。利用这一原理，科学家研制出了石墨烯膜来分离海水中的盐以及处理废水[3]。
利用石墨烯的片层结构，使用特殊的沉积方法重叠有序和无序的石墨烯纳米片，可以实现独特的“鱼鳞”结构。通过精细平行的多层膜的机械调谐，可以看到可变结构的着色。通过这一原理，我们可以研制出变形或破裂时可变色的石墨烯涂层，进而对裂纹进行检测。
1.2利用石墨烯导电性能的应用
1.2.1传感器
石墨烯良好的导电能力和生物相容性，使得它可以被用来制作与人体紧密接触的各种传感器，比如机器人传感器。由于石墨烯有着高比表面积，使得石墨烯层整个碳原子直接与目标分子接触，且石墨烯材料将受体和目标分子间的相互作用可以转化为可检测可测量的信号。因此，石墨烯可满足机器人传感器对目标细胞或分子的检测功耗和灵敏度的需求。[4]
1.2.2电磁屏蔽
石墨烯具有优良的导电性，它在常温下的电子迁移率可达到15000cm2/（V·s）。石墨烯的结构呈现片状，当它的原子一层一层的紧密平行排列，则可以实现分子之间面与面的接触，由于接触面大、电阻率小导电能力较强，石墨烯的特殊性能可突破石墨、碳纤维、碳纳米管等材料原有的材料性能在生产应用上的局限，因此它在电磁屏蔽领域有着广阔的发展前景。[5，6]
二、实验过程
2.1实验设备
本实验的设备主要为多材料挤出成型3D打印机和气泵。实验材料为石墨烯，碳纳米管的水性溶液，本实验通过3D打印机分别打印出石墨电路和碳纳米管电路，结合折弯性和导电性实验，对比分析了石墨烯的导电折弯性。
2.2实验方法
通过挤出式3D打印机，分别打印出石墨烯线材和碳纳米管线材。通过控制变量法，控制两种线材的长度和线宽。测量并比较相同长度和线宽的材料的电阻值。将两种线材折弯相同角度，测量折弯后的电阻值并对比折弯前的电阻值。
2.3实验结果及对比分析
本研究采用多材料挤出成型3D打印设备，实现对石墨烯和碳纳米管可折叠电路的打印。
导电性能及弯曲性能测试：
为了控制变量，本实验采取线材厚度相同，水分含量大致相同的石墨烯和碳纳米管材料作为打印材料，并打印出折弯程度类似的折弯电路，对其进行导电性和折弯性的测量，数据测量分析结果分别如下表1，表2。
三、讨论分析
3.1弯曲性能对比分析
有实验结果对比分析可知，石墨烯的折弯性能优于碳纳米管的折弯性能。
3.2导电性能对比分析
由实验结果对比可知，碳纳米管的平均电阻率是石墨烯的平均电阻率的将近五倍，明显石墨烯的导电性远远优于碳纳米管，这也印证了石墨烯良好的导电性能。
四、结论与展望
通过本次实验，我们使用3D打印机设备在柔性基底上打印了石墨烯和碳纳米管两种导线，并对比分析了石墨烯和碳纳米管的导电性和折弯性，验证了石墨烯良好的导电性。本次实验仅仅采用横向对比，对比了不同材料的导电性，但是没有在纵向上研究石墨烯材料折弯后的导电性极其影响因素，因此后期可以进一步做出更深入的研究。
参考文献：
[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]曲一飞，王琪，戴红旗.用于柔性印刷电子中的石墨烯及其复合材料油墨的研究进展[J].功能材料，2020，51（11）：11031-11041.
[3]余少彬，张铭泰，李希成，冯萃敏，石梦童，汪长征，王强. 新型复合纳米材料用于光催化降解染料废水的研究进展[J].材料工程.2021.
[4]田敏.基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器的研究[D].合肥工业大学，2015.
[5]宋盛菊，李永远，袁本立，雍颖琼，刘焱飞，凌云.石墨烯特性及在军事领域的应用研究进展[J].化工新型材料.2021.
[6]侯思雨，任芳，伏柏桥. 石墨烯基电磁屏蔽复合材料的研究进展[J].化工新型材料.2021.