Графеновые чернила для 3D-печати: Свойства и применение

Описание

Графеновые чернила представляют собой смесь графеновых хлопьев, смешанных с жидким растворителем и связующим веществом. Чернила обладают уникальными свойствами. Они обладают высокой электропроводностью и гибкостью. Исследователи работали над улучшением их состава, чтобы они подходили для различных технологий печати.

Состав и свойства графеновых чернил

Графеновые чернила состоят в основном из графеновых хлопьев и вспомогательной жидкости. В качестве жидкости может выступать вода, этанол или другой органический растворитель. Иногда добавляют полимерное связующее вещество, чтобы помочь чернилам прилипнуть к поверхности после печати. Размер графеновых хлопьев играет большую роль в эффективности чернил. Типичный размер графеновых хлопьев варьируется от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон. Это влияет на электропроводность и механическую прочность напечатанной структуры. В некоторых случаях электропроводность может достигать значений от 2000 до 6000 сименсов на сантиметр после соответствующей обработки.

На практике для поддержания стабильной дисперсии используются такие добавки, как поверхностно-активные вещества. Это предотвращает слипание графена. При концентрации от 0,1 до 5 % по весу чернила обычно обеспечивают хороший баланс между удобством печати и производительностью. Окончательный состав может меняться, но основная идея остается неизменной. Хорошо подготовленные графеновые чернила имеют низкую вязкость, которая обеспечивает плавное течение во время печати и высокую адгезию к подложке после высыхания.

Методы печати красками на основе графена

Существует несколько методов печати графеновых чернил. Струйная печать - один из распространенных методов. Она позволяет получить высокое разрешение на подложках и хорошо подходит для схем и датчиков. Другой вариант - трафаретная печать. Она обеспечивает более быстрое производство и подходит для больших площадей. В некоторых случаях при необходимости получения мелких деталей используется аэрозольная печать.

Трехмерная печать сама по себе используется с красками на основе графена. При этом методе слои накладываются друг на друга, создавая трехмерные структуры. Процесс часто корректируется с учетом низкой вязкости чернил. У каждой технологии печати есть свои преимущества. Например, струйная печать выбирается для детальной проработки, а трафаретная - для экономичного производства.

Механические и электрические характеристики напечатанных структур

Напечатанные графеновые структуры демонстрируют замечательные механические и электрические характеристики. Напечатанные слои часто очень тонкие, что способствует гибкости. При испытаниях на сгибаемых подложках, таких как пластиковые пленки, напечатанные линии не трескались после многих циклов сгибания. Такая прочность очень важна для носимых устройств. Многие исследования показали, что даже при радиусе изгиба всего в несколько миллиметров электропроводность остается высокой.

С электрической точки зрения напечатанные графеновые слои выступают в роли отличных проводников. После соответствующей обработки сопротивление листа может значительно снизиться. Некоторые напечатанные материалы показывают сопротивление листа менее 100 Ом на квадрат. Такое низкое сопротивление является результатом наложения графеновых чешуек друг на друга. При дополнительной термической или химической обработке характеристики могут еще больше улучшиться. Эти характеристики делают графеновые чернила фаворитом в тех областях, где требуется одновременно прочность и проводимость.

Применение в электронике и сенсорах

Печатные графеновые структуры приносят большую пользуэлектронике. С помощью графеновых чернил были изготовлены печатные схемы, антенны и межсоединения. Материал хорошо подходит для недорогих радиочастотных идентификационных меток и гибких дисплеев. В сенсорных системах графеновые чернила используются для печати газовых сенсоров, датчиков температуры и давления. Например, емкостные сенсорные датчики, напечатанные на гибких подложках, показали быстрое время отклика. При правильной конструкции эти датчики обеспечивают четкие и надежные сигналы.

Печатные графеновые структуры также находят применение в производстве сложных схем. Они обеспечивают решение там, где традиционные металлические чернила не справляются с задачей, особенно на гибких поверхностях. Среди распространенных примеров - "умная" упаковка и носимые электронные устройства, для которых важны долговечность и отличная проводимость.

Применение в накопителях энергии и носимых устройствах

Устройства дляхранения энергиитакже выиграли от применения графеновых чернил. Напечатанные электроды для аккумуляторных систем и суперконденсаторов показали высокую производительность. Некоторые напечатанные графеновые электроды могут похвастаться впечатляющими скоростями заряда/разряда и стабильным циклическим режимом работы в течение сотен циклов. Для хранения энергии высокая площадь поверхности графена является преимуществом. Она обеспечивает пространство для улучшения электрохимических реакций.

Для носимых устройств гибкость и малый вес печатных графеновых схем - главное преимущество. Графеновые чернила используются в схемах на текстиле или полимерных пленках. На практике печатные носимые устройства используются в мониторах здоровья и умных часах. Есть случаи, когда такие печатные устройства хорошо работают даже после многих циклов растяжения и сгибания, что делает их идеальными для будущих применений в быстро развивающейся области носимых технологий.

Заключение

Графеновые чернила становятся одним из ключевых материалов в современных технологиях. Уникальный состав, высокая электропроводность и механическая прочность делают его пригодным для 3D-печати и различных передовых технологий печати. Наиболее перспективными являются применения в электронике, сенсорных технологиях, накопителях энергии и носимых устройствах.

Часто задаваемые вопросы

F: Насколько стабильна рецептура графеновых чернил?
В: Правильная дисперсия и поверхностно-активные вещества помогают сохранить стабильность графеновых чернил в течение длительного времени.

F: Какой метод печати обеспечивает наиболее тонкую детализацию?
В: Струйная печать обеспечивает более тонкую детализацию по сравнению с другими методами.

F: Работают ли печатные графеновые схемы на гибких материалах?
В: Да, печатные графеновые схемы хорошо работают на гибких подложках.