石墨烯导电油墨的应用及研究现状
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新型材料——石墨烯的应用与研究进展近年来,石墨烯作为一种新型材料,备受科技界关注。
它具有极高的导电性、导热性、力学强度和化学稳定性,同时具有较大的比表面积和独特的光学特性。
其应用前景广泛,研究进展也十分迅猛。
一、石墨烯的基本特性石墨烯是由碳原子按照六边形排列构成的薄片状材料。
它只有一层碳原子,具有很高的层间结合能,因此能够在空气中稳定存在。
石墨烯具有很高的导电性和导热性,在热和电传输中有着重要的应用价值。
同时,石墨烯还具有很高的力学强度和柔性,具有非常广泛的应用前景。
二、石墨烯应用领域1. 电子学领域石墨烯具有优异的导电性,单层石墨烯的电阻率仅为5.4×10^−6 Ω·cm。
因此,石墨烯被广泛应用于电子学领域,例如制造场效应晶体管、光电器件和传感器等器件。
同时,石墨烯电极还可以被用于储能器件、发电装置等。
2. 新型储存材料石墨烯具有极高的比表面积和化学稳定性,所以在储存材料方面也有着广泛的应用,如锂离子电池、超级电容器及磁性纳米复合材料等。
3. 生物医学领域石墨烯还具有良好的生物活性和生物相容性,因此在生物医学领域也有着广阔的应用前景。
例如,可用作药物载体、生物医学传感器及组织再生材料等。
4. 环境保护领域石墨烯还可以用于环境污染治理。
例如,可用作水处理材料、油污处理材料等。
同时,石墨烯还可以用于制造环保材料,如石墨烯防护材料。
三、石墨烯的研究进展1. 石墨烯导电性研究通过石墨烯的导电性研究,人们发现了一些比较好玩的现象:石墨烯可以在极低的电压下形成电泳效应,这种现象对于生物医学、纳米电子学等领域具有重要意义。
2. 石墨烯的力学性能研究石墨烯的力学性能在最近几年得到了广泛关注,例如制造高性能复合材料等。
此外,还有很多关于石墨烯力学性能的理论研究。
3. 石墨烯的光学性能研究石墨烯在光学方面的研究也得到了广泛关注。
石墨烯的独特光学特性使其具有在光电池、太阳能电池等领域应用的潜力。
石墨烯的应用现状及发展石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体材料,具有极高的导电性、热导性、机械强度和透明度。
石墨烯的发现被认为是材料科学领域的一次重大突破,引起了全球科学界的普遍关注。
石墨烯的应用前景非常广泛,被誉为“二十一世纪的材料之王”,目前已经在多个领域得到了应用。
在电子领域,石墨烯的高导电性和高透明度使其成为制造高性能触摸屏和柔性显示器的理想材料。
相比于传统的材料,石墨烯触摸屏具有更高的灵敏度和更低的能耗。
石墨烯的高导电性也使其成为电子器件中的理想载流子传输材料,可用于制造高性能的晶体管、太阳能电池等器件。
在能源领域,石墨烯可以用于制造高效的锂离子电池和超级电容器。
石墨烯的高导电性和二维结构使其具有更高的电荷传输速率和更大的比表面积,能够改善电池的容量和循环寿命。
石墨烯还可以用于制造高效的太阳能电池和燃料电池。
石墨烯的高光吸收率和电子传输性能使其成为优良的光伏材料。
在传感器领域,石墨烯的高灵敏度和快速响应速度使其成为理想的气体和生物传感器材料。
石墨烯传感器可以检测多种气体,如二氧化碳、挥发性有机化合物等,并具有高灵敏度和快速响应的特点。
石墨烯传感器还可以用于检测生物分子,如DNA、蛋白质等,有着广阔的应用前景。
在材料领域,石墨烯可以用于制造轻巧而坚固的复合材料。
石墨烯的高强度和低密度使其成为理想的增强剂,可以增加复合材料的强度和刚度,并提高热导率和电导率。
石墨烯复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有着广泛的应用前景。
尽管石墨烯的应用前景非常广泛,但目前它的大规模商业化仍面临许多挑战。
石墨烯的制备成本较高,工业化生产还存在一定的技术难题。
石墨烯在应用中的稳定性和可靠性也需要进一步研究和解决。
石墨烯在环境和生态方面的影响也需要深入研究和评估。
石墨烯是一种具有巨大应用潜力的材料,目前已经在电子、能源、传感器等多个领域取得了一定的应用进展。
随着石墨烯制备技术的不断发展和完善,相信石墨烯的应用前景会更加广阔,并为人类带来更多的科技进步和创新。
石墨烯的应用现状及发展石墨烯是一种全新的材料,由单层碳原子以二维晶格排列而成。
其结构独特,具有许多优异的物理性质,包括高导电性、高热导性、高强度、柔韧性和透明性等。
自2004年石墨烯被首次发现以来,其在各领域的应用潜力被广泛关注和研究。
本文将从石墨烯的应用现状和未来发展方向两个方面,探讨石墨烯材料的前景与挑战。
石墨烯的应用现状1. 电子学领域由于石墨烯具有出色的导电性能,因此在电子学领域有着广泛的应用前景。
石墨烯可以作为高性能晶体管的材料,用于制造更小、更快的电子设备。
石墨烯还可以用于制造柔性电子产品,如可弯曲显示屏、智能穿戴设备等。
在电池领域,石墨烯的高导电性和高比表面积可以显著提高电池的充放电效率和储能密度。
2. 光电子学领域石墨烯具有极高的光透过率和光吸收率,因此可以用于制造高性能的光电器件。
石墨烯透明导电膜可以应用于太阳能电池、光电探测器、光电显示器等器件中。
石墨烯的独特光学性质还使其成为制备超薄光学元件的理想材料,如超薄透镜、纳米光栅等。
3. 材料领域石墨烯具有极高的强度和韧性,可以制备出各种高性能的复合材料。
这些复合材料具有优异的力学性能和导电性能,在航空航天、汽车制造、建筑材料等领域有着广泛的应用前景。
石墨烯还可以用于制备高性能的防腐涂料、抗静电材料等。
4. 生物医学领域石墨烯具有良好的生物相容性和生物活性,可以用于制备生物传感器、药物载体、组织工程支架等生物医学器件。
研究表明,石墨烯及其衍生物在癌症治疗、基因传递、细胞成像等方面具有巨大的潜力。
石墨烯的发展趋势1. 大规模制备技术目前,石墨烯的大规模制备技术仍是一个世界性难题。
传统的机械剥离法和化学气相沉积法虽然可以制备出高质量的石墨烯样品,但是成本高、产量低,无法满足广泛应用的需求。
发展低成本、高效率的石墨烯大规模制备技术是当前的重点研究方向。
2. 功能化修饰技术石墨烯的很多优异性能是由其特殊的二维结构所决定的,但是这也使得石墨烯在某些方面表现出一定的局限性,比如化学稳定性差、易团聚等。
石墨烯导电涂料性能研究及应用石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维材料,具有可重复制备、高比表面积、高导电性、高机械强度、透明性等优异的物理和化学特性,被广泛应用于能源储存、传感器、生物医药等领域。
其中,石墨烯导电涂料作为石墨烯应用中的一种重要形态,在电子、光电、涂料等领域展现出较高的应用潜力。
一、石墨烯导电涂料的性能1、高导电性由于石墨烯单层结构的存在,石墨烯导电涂料具有空气中最高的导电性,电导率达到了50,000 ~ 100,000 S/m。
因此,在电子芯片、电极、电池等领域中,石墨烯导电涂料得到了广泛应用。
2、高机械强度石墨烯导电涂料具有令人惊讶的高机械强度和硬度,因此非常适合用于造成存储、弹性等应用中。
3、优异的透明性石墨烯导电涂料具有高透明度,光学透过率高达97%,在太阳电池等光电应用中具有广泛的应用前景。
二、石墨烯导电涂料的应用1、电光设备石墨烯导电涂料具有材料省、制作方便、性能优异等优点,被广泛应用于Touch Panel, FPD,LCD,OLED等电光设备中。
例如,石墨烯导电涂料可用于电子墨水、柔性电路、散热片等。
2、化学储能石墨烯导电涂料在化学储能技术中也有广泛应用,石墨烯导电涂料的高导电性可以使其用于制备石墨烯锂离子电池,并且也可以成为一种高效的电容器材料。
3、环保涂料在环保涂料应用领域,石墨烯导电涂料也具有广泛的应用前景,由于石墨烯导电涂料具有较好的导电性和透明性,所以在光伏电池制备中也有一定的应用。
三、石墨烯导电涂料未来发展趋势石墨烯导电涂料的发展方向主要有以下几方面:1、石墨烯导电涂料在新能源开发领域应用的推广;2、发展石墨烯导电涂料的多功能性;3、提高石墨烯导电涂料的工业化水平。
总之,石墨烯导电涂料的应用潜力巨大,具有广泛的市场前景,而其未来的发展也需要多专家的探索,以推动石墨烯的工业化进程,从而更好地为人类社会提供高品质、高效率的新产品。
2024年石墨烯导电油墨市场前景分析引言导电油墨是一种具有导电性能的油墨,广泛应用于电子产品、光伏设备、传感器等领域。
石墨烯作为一种新兴的导电材料,具有优异的导电性能和机械性能,在导电油墨领域具有广阔的应用前景。
本文将对石墨烯导电油墨市场进行前景分析,探讨其市场潜力及发展趋势。
石墨烯导电油墨市场概述石墨烯导电油墨是以石墨烯为主要成分的导电油墨产品。
石墨烯具有高电导率、高透明度、高柔韧性等特点,被广泛认为是一种具有巨大应用潜力的新材料。
石墨烯导电油墨可以应用于灵活电子、智能穿戴设备、电子纸、新型显示技术等领域。
石墨烯导电油墨市场驱动因素分析1. 新兴电子产品市场的发展随着智能手机、平板电脑、可穿戴设备等电子产品市场的快速发展,对导电性能更高、更灵活的导电油墨的需求也日益增长。
石墨烯导电油墨的优异性能使其成为电子产品制造商的理想选择,推动了市场需求的增长。
2. 新能源市场的兴起随着全球对可再生能源的需求增加,太阳能、风能等新能源领域的发展迅猛。
石墨烯导电油墨可以应用于光伏设备、传感器等领域,提高能源的利用效率和传感器的性能,因此在新能源市场也有广阔的应用前景。
3. 石墨烯技术的进一步成熟石墨烯技术的不断发展和成熟,使得石墨烯导电油墨的生产成本逐渐降低,产品品质得到保证。
石墨烯导电油墨作为一种高附加值的产品,其市场竞争力将不断增强。
石墨烯导电油墨市场挑战分析1. 技术瓶颈石墨烯导电油墨的生产工艺相对复杂,技术难度较高,目前仍存在一些关键技术瓶颈需要克服。
例如,石墨烯的制备方法、导电性能的稳定性等都需要进行进一步研究和改进。
2. 市场竞争加剧随着石墨烯导电油墨市场的发展,竞争对手也在不断增多。
在市场竞争加剧的情况下,企业需要通过技术创新和产品差异化来保持竞争优势,才能在市场上取得良好的地位。
石墨烯导电油墨市场前景展望随着新兴电子产品市场和新能源市场的快速发展,石墨烯导电油墨市场具有广阔的发展前景。
未来,随着石墨烯技术的进一步成熟,石墨烯导电油墨的性能将得到进一步提升,并逐渐取代传统导电油墨。
石墨烯材料的研究进展及其未来应用伴随着科技的不断发展,材料学科也随之发展,其中石墨烯材料的研究备受瞩目。
石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料,具有极高的导电、导热和力学性能,被誉为“万物之王”。
本文将从石墨烯材料的研究现状、石墨烯应用领域以及未来石墨烯材料的发展方向等方面进行分析研究。
一、石墨烯材料的研究现状石墨烯在2004年被发现以来,其研究进展一直是材料科学研究的热点。
在过去的几年里,石墨烯的研究已经进入了裸眼可见阶段。
近年来,石墨烯相关的研究已经涵盖了大面积的领域,从基础物理实验到应用材料,以及从生物医学到能源和环境等等。
石墨烯的制备方法有多种,通常包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学剥离法、化学还原法、热水解法等。
这些方法都可以制备出高质量的石墨烯材料。
二、石墨烯应用领域石墨烯作为一种新型的纳米材料,具有许多优异的性能,被广泛研究和应用。
以下是主要的应用领域。
1、电子学领域:由于石墨烯导电性能极佳,可以制备出高效率、灵敏度的电子器件。
石墨烯MEMS传感器、石墨烯晶体管已经被研发出来,其应用在生物传感、车载传感等领域;2、摄像头:石墨烯透明、柔韧性好,制备的石墨烯锁相摄像头凭藉其高透明度而受到了人们的广泛关注;3、电池领域:利用石墨烯的导电性以及空隙结构可以制造出能量密度高、废物排放少的锂离子电池。
4、光电器件领域:利用石墨烯高透射性在加强红外线吸收、放大微弱信号方面具有极高的潜力,可以应用于能源、环境、安全等领域。
5、表面覆盖材料开发:采用石墨烯覆盖的方式能够大幅度改善材料表面的性能,使其在高温、高压、高湿度和氧化气氛等恶劣环境中得以长期稳定地使用。
三、未来石墨烯材料的发展方向虽然石墨烯已经被广泛研究和应用,但是其开发与应用也面临许多挑战。
目前,石墨烯应用的主要难题是大规模制备技术和可重复性。
因此,未来石墨烯材料的发展方向需要集中于以下三个方面:1、开发新的石墨烯合成方法:目前制备石墨烯的方法众多,但是石墨烯的大面积制备和商业化应用仍然是一个挑战。
2024年石墨烯导电油墨市场调查报告1. 背景介绍石墨烯是一种二维的碳材料,具有优异的导电性能和机械性能。
导电油墨是一种具有导电能力的油墨,广泛应用于电子设备、印刷电路板等领域。
近年来,石墨烯导电油墨在市场上得到了越来越广泛的关注和应用。
本报告旨在对石墨烯导电油墨市场进行调查分析,为相关行业提供参考和建议。
2. 市场规模分析根据调查数据显示,石墨烯导电油墨市场呈现快速增长的趋势。
在过去的几年里,全球石墨烯导电油墨市场规模每年以两位数的增长率增长。
预计未来几年,市场规模将进一步扩大。
3. 市场驱动因素石墨烯导电油墨市场的增长主要受以下几个因素驱动:3.1 技术进步石墨烯作为新型材料,在导电油墨领域具有独特的优势,如高导电性、高透明性和优异的机械性能。
随着石墨烯制备技术的进步,其市场应用迅速扩展。
3.2 电子设备行业需求增加电子设备行业对导电油墨的需求正在增加。
随着智能手机、平板电脑、电子书和电子智能终端设备的快速普及,对导电油墨的需求也在不断增加。
3.3 新兴应用领域的探索石墨烯导电油墨在新兴领域的应用也在不断拓展,如柔性电子、可穿戴设备等。
这些新的应用领域为石墨烯导电油墨市场提供了更多的机会和潜力。
4. 市场竞争格局石墨烯导电油墨市场竞争激烈,主要包括国内外企业和研究机构。
在国内,一些大型企业已经开始涉足石墨烯导电油墨产业,并取得了一定的成绩。
在国外,一些石墨烯材料供应商也在积极开拓导电油墨市场。
5. 市场前景展望石墨烯导电油墨市场具有广阔的前景和发展潜力。
随着技术的进步和市场需求的增加,石墨烯导电油墨的应用领域将继续扩大。
未来几年,市场规模有望稳步增长。
结论石墨烯导电油墨市场具有良好的发展前景,但同时也面临着激烈的竞争。
相关企业应加强技术研发,提高产品质量,并积极拓展新兴应用领域,以在市场中占据更有竞争力的地位。
同时,政府和行业协会应加大对石墨烯导电油墨产业的支持力度,促进其健康发展。
以上是对石墨烯导电油墨市场的调查报告,供您参考。
石墨烯导电油墨1. 概述石墨烯导电油墨是一种利用石墨烯材料制备的导电墨水,在电子行业、印刷设备和柔性电子产品中具有广泛的应用。
本文将深入探讨石墨烯导电油墨的制备方法、特性以及应用前景。
2. 制备方法石墨烯导电油墨的制备方法多种多样,以下介绍几种常见的方法:2.1 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的石墨烯制备方法。
该方法通过在高温下使碳源气体分解,从而在基底上生长石墨烯层。
制备出的石墨烯可以具有高度的结晶性和良好的导电性能。
2.2 化学剥离法化学剥离法是一种将石墨烯层从石墨材料中剥离出来的方法。
该方法通常通过在石墨表面涂覆一层功能化剥离剂,然后在化学处理中将剥离剂与石墨结构分离,得到石墨烯层。
这种方法制备的石墨烯通常具有较高的质量。
2.3 机械剥离法机械剥离法是通过机械手段将石墨材料剥离成薄层的方法。
这种方法通常利用粘性带或者刮刀等工具对石墨进行扣除,逐渐剥离出薄的石墨烯层。
这种方法简单易行,但是制备出的石墨烯层质量相对较低。
3. 特性石墨烯导电油墨具有以下特性:3.1 高导电性石墨烯具有非常高的电子迁移率和导电性,可以作为优秀的导电材料。
石墨烯导电油墨中的石墨烯片层可以形成连续的导电网络,从而实现高导电性。
3.2 良好的柔性石墨烯导电油墨可以制备出具有良好柔性的导电薄膜,适用于柔性电子产品的制备。
这种导电薄膜可以被弯曲、折叠而不影响其导电性能,大大拓展了电子产品的应用范围。
3.3 可调控性石墨烯导电油墨的导电性能可以通过控制石墨烯浓度、材料形态等参数来进行调控。
这种可调控性使得石墨烯导电油墨可以根据不同需求制备出具有不同导电性能的导电薄膜。
3.4 环保性相比传统的导电材料,石墨烯导电油墨具有更低的环境污染和生产成本。
石墨烯是一种天然材料,制备工艺中不需要添加有害物质,对环境友好。
4. 应用前景石墨烯导电油墨在电子行业和柔性电子产品中具有广阔的应用前景。
4.1 电子行业石墨烯导电油墨可以制备用于印刷电路板和柔性显示器的导电薄膜。
石墨烯材料的研发现状和应用前景石墨烯(graphene)是一种纯碳的二维材料,由于其极高的导电性、导热性和强硬特性,这种材料自从2004年被Nobel Prize获得者Andre Geim教授和 Konstantin Novoselov教授发现以来,引起了全球科学家的高度关注和研究热潮。
自此,石墨烯已经被视为第二个深变革的材料,被认为将改变科技、工业、生物医学、材料科学等领域的发展轨迹。
石墨烯(graphene)的制备方法主要包括机械剥离法、化学剥离法和化学气相沉积法等,其中机械剥离法较为成熟,利用普通铅笔在硅基底上涂一层石墨使其分散后,应用电子显微镜进行选择性剥离,就可以获得薄至单层的石墨烯样品。
然而,方法不够规范和低成本始终是影响石墨烯发展的因素。
近年来,针对石墨烯的制备方法和性质研究取得了实质性的进展,成果涉及其在光电器件、传感器、锂电池、柔性电子设备、生物医学、高性能计算机等领域的应用前景。
据统计,目前全球已有近4万篇的期刊文章,报道石墨烯材料的相关研究。
以下将详细介绍其研发现状和应用前景。
一、石墨烯的应用前景石墨烯拥有优异的性能,其导电性是常规材料的百倍以上,最低电导率约为1.0×10(Mho·m),最高电导率则达到了8.8×107(Mho·m),而且还具有优良的导热性能、极强的机械强度、独特的光学特性和吸附功能。
根据这些特性,石墨烯的应用前景十分广阔。
首先,在光电器件领域,石墨烯薄膜的优异透明性和导电性,可以被用于照明、触摸屏、智能窗户、光伏电池等领域。
其次,在传感器领域,石墨烯的高比表面积和超薄二维结构,可以在气体、生物、化学等领域的传感器中,实现更为精确的感应和测量。
另外,在锂电池及其他能量存储器上,石墨烯的极佳的导电性和锂离子扩散系数,不仅从根本上改善了能量存储器的性能,而且在新型电池领域,如超级电容器、钠离子电池等领域,带来了更为广阔的应用前景。
2024年石墨烯油墨市场发展现状引言石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料,具有出色的导电性和导热性以及优异的力学性能。
石墨烯油墨作为一种新兴的材料,在印刷和电子行业中具有广阔的应用前景。
本文将对石墨烯油墨市场的发展现状进行分析。
石墨烯油墨的特点1.导电性:石墨烯油墨具有极高的导电性,可以在不损害其他性能的情况下实现高电导率。
2.导热性:石墨烯油墨的导热性能出色,可以有效地散热。
3.柔韧性:石墨烯油墨具有良好的柔韧性,适合用于曲面印刷和弯曲设备。
4.透明性:石墨烯油墨具有优异的透明性,可用于制备透明的导电薄膜。
市场规模石墨烯油墨市场在过去几年取得了快速的发展。
根据市场研究公司的数据,2019年全球石墨烯油墨市场规模达到了XX亿美元,并预计到2025年将增长至XX亿美元。
应用领域1.印刷行业:石墨烯油墨可以用于印刷电路板、导电墨水、传感器等领域,实现高效率的印刷和制造过程。
2.电子行业:石墨烯油墨用于电子设备中的导电膜、触摸屏、无线电天线等,可以提高电子产品的性能。
3.能源行业:石墨烯油墨在太阳能电池、储能设备和电力传输等领域有广泛的应用前景。
发展趋势1.技术创新:石墨烯油墨市场正面临着不断的技术创新,如石墨烯氧化物、功能化石墨烯等的研发,将进一步提升石墨烯油墨的性能。
2.成本降低:随着生产技术的进一步成熟和规模化生产的实施,石墨烯油墨的生产成本将逐渐降低,这将推动市场进一步扩大。
3.政策支持:各国政府出台的支持新材料行业发展的政策将为石墨烯油墨市场创造有利的发展环境。
挑战与机遇1.市场竞争激烈:石墨烯油墨市场竞争激烈,产品同质化程度较高,企业需通过技术创新和差异化策略来获得竞争优势。
2.标准化缺乏:目前石墨烯油墨行业缺乏统一的标准制定,这对产品的质量控制和市场准入造成一定难度。
3.环境和健康风险:在石墨烯油墨的生产过程中,对环境和健康的影响尚未得到完全解决,相关方面需要持续关注和改进。
结论石墨烯油墨作为一种具有广阔应用前景的新兴材料,在印刷和电子行业中的市场规模不断扩大。
石墨烯导电油墨的应用及研究现状管麟书【摘要】随着印刷电子日益小型化、集成化,传统的减法电路板印制技术已经无法满足市场的需要.导电油墨作为关键电子材料,在印刷电子技术中的应用越来越广泛.本文总结了常见的导电油墨的类型,包括金属导电油墨、导电高分子导电油墨、碳系导电油墨,其中,石墨烯导电油墨导电性能优异、机械性能强,具有广阔的应用前景.本文综述了石墨烯导电油墨在智能标签、印刷电路、薄膜开关等方面的应用,并进一步简要介绍了石墨烯导电油墨的制备方法,以期为该领域的科研人员的研究提供一定的参考.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】3页(P137-139)【关键词】石墨烯;导电油墨;应用;制备【作者】管麟书【作者单位】南京市第二十九中学江苏 210036【正文语种】中文【中图分类】T1.引言随着印刷电子日益小型化、集成化,传统的减法电路板印制技术已经无法满足市场的需要。
导电油墨作为关键电子材料,在印刷电子技术中的应用越来越广泛,在无线射频识别系统、柔性印制电路板、薄膜开关、电磁屏蔽等领域应用日益增多,得到人们广泛关注,如Flint Ink投资导电油墨以降低RFID成本,韩国ABC公司开发的纳米导电油墨应用于RFID、柔性印制电路、电磁屏蔽等。
自2004年英国科学家发现石墨烯以来,石墨烯优良的导电性、力学性能、单原子厚度、价格低廉等优势受到广泛的关注,可作为一种新型的碳系石墨烯导电油墨。
据英国《每日电讯报》报道,剑桥大学开发出可打印的石墨烯导电油墨,可制作穿戴监视器;美国西北大学的研究人员喷墨打印石墨烯油墨,生产出性能优异的高导电柔性电极,与普通电极相比,导电性能提高了250倍,折叠时电导率仅轻微下降;国内在石墨烯油墨领域的发展也取得可喜进展,2015年,由青岛瑞利特新材料科技有限公司投资的国内首条石墨烯导电油墨生产线在青岛落成投产,可实现年产30吨导电油墨。
据预测,今后20年内,印刷电子的市值将突破3000亿美元。
因此,研究开发高性能石墨烯导电油墨具有巨大的经济价值。
2.导电油墨的组成和分类导电油墨一般由导电填料和基体材料构成。
常用的导电填料有金属填料、导电高分子填料、碳系填料等;常用的基体材料包括高分子聚合物、陶瓷粉末等,主要起到支撑和粘结作用。
此外,在导电油墨中,为了制备和使用方便,往往会加入一些助剂调节导电油墨的粘度,如稀释剂、分散剂等。
可见,这些材料的种类和性质,决定了导电油墨的多样性,按照导电油墨填料的性质,导电油墨分为三大类别:金属导电油墨、高分子导电油墨以及碳系导电油墨。
金属导电油墨是一种具有一定导电性质、用导电金属制成的导电油墨。
它分为熔融金属和纳米金属油墨两种。
纳米金属油墨不仅拥有优良的导电性能,纳米金属油墨的小尺寸效应可使熔点极大地降低,因此可在塑料电子产品玻璃化温度之内被烧结成膜或导线。
与其他导电油墨相同,金属导电油墨导电性能取决于导电相。
常见的纳米金属导电油墨包括金纳米导电油墨、银纳米导电油墨、铜纳米导电油墨等,其中纳米银拥有纳米导电油墨中最高的电导率和热导率,它化学稳定性好、不易被氧化、制线质量优异、与基板附着性好,因此纳米银受到了很多知名公司和研究机构的青睐。
然而,纳米银导电油墨价格昂贵,不利于大规模生产;易产生空洞缺陷;电子迁移率高,可能会引起短路或断路;烧结过程易开裂。
所以,当前纳米银导电油墨仍需进一步研究。
纳米铜导电油墨成本低,可满足大规模生产需要,抗电子迁移能力高。
现在,纳米铜在信息储存、光电效应功能以及智能包装等领域引起广泛关注。
但目前利用纳米铜导电油墨印制的电路电阻率比纯铜高10~100倍,这限制了它在印刷电子领域中的研究价值。
高分子导电油墨是指以高分子导电聚合物为填料的导电油墨。
常见的高分子导电聚合物包括:聚乙撑二氧噻吩、聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯等。
其中聚乙撑二氧噻吩凭借其较高导电性、易加工和高透明度等优势,成为高分子导电油墨领域中应用最为广泛的一类导电聚合物。
然而,高分子导电油墨不理想的导电性和加工适性限制了它的发展。
碳系导电油墨是以石墨、炭黑、碳纤维以及它们的混合物作为导电填料的一种导电油墨。
碳系油墨性能稳定、不易氧化、耐酸碱盐等的腐蚀,此外,碳系导电油墨与铜箔、玻璃结合性好,但是在与金属导线的连接界面,由于两种材料化学活泼性质差异,容易发生界面处的腐蚀。
碳系导电油墨的发展经历了两个阶段,分别是传统碳系导电油墨和新型碳系导电油墨。
传统碳系导电油墨的研究自上世纪40年代始,已经形成了相当成熟的导电理论体系,研究潜力与价值几乎被开发完全。
由于性能稳定,价格低廉,性价比较高,传统碳系导电油墨被广泛应用于柔性电路、薄膜开关、电磁屏蔽等领域。
但是,传统碳系导电油墨导电性和耐湿性都不好,因此只能用于导电性要求较低的电路印刷。
因此,新型碳系导电油墨应运而生。
自1991年日本NEC公司发现碳纳米管,随后研究人员将碳纳米管作为导电填料制备导电油墨,发现其拥有高导电率与大长径比的优势,是理想的导电油墨填料。
陆建辉等以石墨烯和碳纳米管为填充料,加入连接剂、助剂等制备喷墨用导电油墨,获得颗粒单元小、不堵喷头、颗粒分散性好的喷用油墨。
3.石墨烯导电油墨的应用(1)印刷电路传统的电路板印刷利用减成法,减成法工序繁复、工艺复杂、浪费庞大、污染严重。
随着现代印刷电子技术的产生,以导电油墨为基础的印刷电子工业迅速发展。
导电油墨印制电路板,导电性好、连接性能优异、与基材结合力强而且轻、薄,利用导电油墨直接印刷导电线路,不仅可以提高效率、节约成本,还能降低能耗、保护环境。
与传统的电路板印刷技术相比,导电油墨印制电路有如下优势:①制程工艺简单、能耗低、污染少,导电油墨印制电路板取代了传统刻蚀工艺中的掩膜、刻蚀等工序,几乎不产生工业中的废水、废气、固体废弃物,2017年底,江苏昆山以环保为名,关闭了270家工厂,其中就有上百家电路板印刷企业;②低温工艺,导电油墨的固化温度低于200℃,这样的加工温度可以广泛应用于温敏材料、柔性基板印刷、芯片组装等。
导电油墨喷墨打印电路板技术将成为印制电路工业的主流技术。
杨洁等以电弧法制备导电油墨,厚度170μm的石墨烯导电油墨电阻率仅有0.003Ω·cm,应用于柔性可折叠材料上多次折叠后,电阻率没有明显变化,维持在0.075Ω·cm;台湾大学研究人员开发出在照明纸上打印油墨线路的技术,可用于电路板设计的快速定型;Nano Dimension公司开发出一款粒径仅4nm的导电油墨,可与该公司的DragronFly 2020 3D打印机匹配使用,提高印制线路的导电性。
目前,我国印刷电子产业技术领域,有数量可观的微纳米尺度光电子材料作为基础。
但以印刷电子研究领域突出的,则始于近十年。
现在,国内有包括中科院苏州纳米所、天津大学、北京印刷学院等近百家机构和企业开展印刷电子领域研究工作。
(2)智能标签(RFID)智能标签是以无线射频技术基础的电子标签,主要由芯片、天线等构成射频电路,在物流、包装、仓储、防伪、生产、身份验证等领域有广泛应用,尤其是在包装、物流、仓储等领域,传统的方式是使用条形码或者二维码,配以扫描枪,不仅需要接触扫描,而且标签破损等容易造成识别性差。
在RFID中,以导电油墨印刷天线,可接收无线电波信息。
导电油墨制作的RFID的优点如下:①工艺简单、成本低廉、高效快速,传统的金属天线制作是采用腐蚀法或者压箔法,制备周期长、工艺复杂;②减少原材料浪费和环境污染,导电油墨制作RFID的天线是采用印刷法,而传统的腐蚀法或者压箔法,有大量的多余部位的金属被刻蚀浪费掉,同时产生大量的废水。
韩国PAUR开发了一种以PET为基材,导电油墨印制的高频RFID标签天线,具有精度高、生产速度快(5m/min)、烧结温度低(150℃)、成本低(0.05美金)等优点;此外,韩国、芬兰研究人员配备40wt%的纳米银三乙二醇乙醚油墨,通过微滴喷墨打印机制作RFID天线;北京印刷学院的研究人员以液相化学还原法制备15wt%的银浆油墨,用于RFID天线的打印,烧结温度仅有90℃。
据IDTechEx的调查,2017年RFID的市值约1120亿美元,预估到2022年,其产值将突破1490亿美元。
(3)薄膜开关薄膜开关是采用丝网印刷技术,在PET或PC等薄膜上,按照设计的电路和接点印制导电油墨,然后将印制好的导电油墨的薄膜和装潢艺术面板组合。
与传统机械开关相比,这种开关外形美观、结构简单、使用寿命长、耐环境性能优良,在高密度化的场合有着广泛的应用,尤其是按键密度高、尺寸小的产品。
除以上应用外,石墨烯导电油墨在电子器件、太阳能电池、智能穿戴设备等领域也有着广泛的应用。
4.石墨烯导电油墨的制备用于石墨烯导电油墨的主要填料是氧化还原法制备的氧化石墨烯、机械剥离法制备的石墨烯、电弧放电法制备的石墨烯等。
(1)氧化还原法制备的石墨烯氧化石墨烯是石墨经过强氧化物氧化、剥离后获得的,其特点是表面含有大量的含氧基团,如羟基、羧基、环氧基等。
通常氧化石墨烯采用的制备方法为Hummers 法。
LEE等采用Hummers法制备氧化石墨烯片,并以肼为还原剂、十二烷基磺酸钠为表面活性剂、二甘醇为溶剂制备石墨烯导电油墨,获得的导电油墨经喷墨打印技术印制在聚酰亚胺薄膜上,获得的薄膜电导率为121.95S/m;东南大学的陈海华以石墨为原料,高锰酸钾为氧化剂,硼氢化钠为还原剂,制备还原石墨烯,并与AgNO3制备Ag-RGO导电油墨,电导率达到5.21×103S·m-1。
(2)电弧法制备导电油墨上海大学的杨洁等以纯石墨棒为原料,利用直流电弧放电法制备出高纯度粉末状石墨烯片。
随后将制得的石墨烯片与乙基纤维素混合,并加入到体积比为1∶2.5的松油醇中得到石墨烯导电油墨。
利用电弧法制备出的石墨烯导电油墨电阻率随厚度、温度的增加而降低,并且样品在柔性基底上折叠后电阻率基本不变。
厚度170μm 的样品在经过高温处理后电阻率仅为0.003Ω·cm。
除了以上介绍的方法,机械剥离法、化学气相沉积法等方法制备的石墨烯,可经过化学修饰后直接作为填料用于石墨烯导电油墨。
5.结论传统的电路板印刷技术带来的高耗能、高污染、低品质,使得石墨烯导电油墨有着广阔的发展前景。
本文的研究结论如下:(1)石墨烯导电油墨在智能标签天线线路、印制电路板、薄膜开关等领域具有工艺简单、成本低廉、环境污染小、精度高等优势;(2)当前,石墨烯导电油墨的制备方法按石墨烯的来源不同可分为氧化还原石墨烯导电油墨、电弧法石墨烯导电油墨等。
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