طباعة حبر الجرافين ثلاثي الأبعاد: الخصائص والتطبيقات

الوصف

حبر الجرافين عبارة عن مزيج من رقائق الجرافين الممزوجة بمذيب سائل ومادة رابطة. يتميز الحبر بخصائص فريدة. فهو يحمل توصيلًا كهربائيًا عاليًا ومرونة عالية. عمل الباحثون على تحسين تركيبته لتتناسب مع تقنيات الطباعة المختلفة.

تركيب حبر الجرافين وخصائصه

يتكون حبر الجرافين بشكل أساسي من رقائق الجرافين وسائل داعم. يمكن أن يكون السائل ماء أو إيثانول أو مذيب عضوي آخر. يُضاف أحياناً مادة رابطة من البوليمر لمساعدة الحبر على الالتصاق بالأسطح بعد الطباعة. يلعب حجم رقائق الجرافين دوراً كبيراً في أداء الحبر. وتتراوح أحجام رقائق الجرافين النموذجية من بضع مئات من النانومترات إلى بضعة ميكرونات. ويؤثر ذلك على التوصيلية والقوة الميكانيكية للهيكل المطبوع. في بعض الحالات، يمكن أن تصل الموصلية الكهربائية في بعض الحالات إلى قيم تتراوح بين 2000 و6000 سيمنز لكل سنتيمتر بعد المعالجة المناسبة.

في الممارسة العملية، تُستخدم المواد المضافة مثل المواد الخافضة للتوتر السطحي للحفاظ على تشتت مستقر. وهذا يمنع الجرافين من التكتل معًا. عند تركيز حوالي 0.1% إلى 5% بالوزن، يوفر الحبر عادةً توازنًا جيدًا بين قابلية الطباعة والأداء. قد تختلف التركيبة النهائية، ولكن تظل الفكرة الأساسية ثابتة. يُظهر حبر الجرافين المُعد جيدًا لزوجة منخفضة تدعم التدفق السلس أثناء الطباعة والالتصاق العالي بالركيزة بعد التجفيف.

تقنيات الطباعة للأحبار القائمة على الجرافين

هناك عدة طرق لطباعة حبر الجرافين. الطباعة النافثة للحبر هي إحدى التقنيات الشائعة. وهي تتيح دقة عالية على الركائز وتعمل بشكل جيد للدوائر والمستشعرات. طباعة الشاشة هي خيار آخر. فهي توفر إنتاجًا أسرع وهي جيدة للمساحات الأكبر. في بعض الحالات، يتم استخدام الطباعة النفاثة الهوائية عند الحاجة إلى تفاصيل دقيقة.

تم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد نفسها مع الأحبار القائمة على الجرافين. في هذه الطريقة، يتم بناء طبقات فوق بعضها البعض لإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد. وغالباً ما يتم تعديل العملية للتعامل مع اللزوجة المنخفضة للحبر. لكل تقنية طباعة مزاياها الخاصة. على سبيل المثال، يتم اختيار الطباعة النافثة للحبر للعمل التفصيلي بينما يتم اختيار الطباعة على الشاشة للإنتاج الفعال من حيث التكلفة.

الأداء الميكانيكي والكهربائي للهياكل المطبوعة

تُظهر هياكل الجرافين المطبوعة أداءً ميكانيكياً وكهربائياً رائعاً. غالبًا ما تكون الطبقات المطبوعة رقيقة جدًا، مما يساعد على المرونة. وفي الاختبارات التي أجريت على ركائز قابلة للانحناء مثل الأغشية البلاستيكية، لم تتشقق الخطوط المطبوعة بعد العديد من دورات الانحناء. هذه المتانة ضرورية للأجهزة القابلة للارتداء. وقد أظهرت العديد من الدراسات أنه حتى في أنصاف أقطار الانحناء التي لا تتجاوز بضعة مليمترات فقط، تظل الموصلية الكهربائية عالية.

من الناحية الكهربائية، تعمل طبقات الجرافين المطبوعة كموصلات ممتازة. وبعد المعالجة المناسبة، قد تنخفض مقاومة الصفائح بشكل كبير. وتبلغ بعض المواد المطبوعة عن قيم مقاومة للصفائح أقل من 100 أوم لكل مربع. وتنتج هذه المقاومة المنخفضة عن تداخل رقائق الجرافين. ومع إضافة معالجات حرارية أو كيميائية إضافية، يمكن أن يتحسن الأداء بشكل أكبر. وتجعل هذه الخصائص حبر الجرافين مفضلاً في التطبيقات التي تحتاج إلى كل من القوة والتوصيل.

التطبيقات في الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار

تستفيد الإلكترونيات بشكل كبير من هياكل الجرافين المطبوعة. فقد صُنعت الدوائر المطبوعة والهوائيات والوصلات البينية بحبر الجرافين. وتعمل المادة بشكل جيد في علامات تحديد الترددات الراديوية منخفضة التكلفة وشاشات العرض المرنة. وفي تطبيقات المستشعرات، يُستخدم حبر الجرافين لطباعة مستشعرات الغاز ومستشعرات الحرارة ومستشعرات الضغط. على سبيل المثال، أظهرت مستشعرات اللمس السعوية المطبوعة على ركائز مرنة أوقات استجابة سريعة. ومع التصميم المناسب، توفر هذه المستشعرات إشارات واضحة وموثوقة.

تجد هياكل الجرافين المطبوعة أيضًا أدوارًا في إنتاج الدوائر المعقدة. فهي توفر حلاً حيث تقصر الأحبار المعدنية التقليدية، خاصة على الأسطح المرنة. وتتضمن العديد من الحالات الشائعة التغليف الذكي والأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، حيث تكون المتانة والتوصيل الممتاز أمرًا حيويًا.

التطبيقات في تخزين الطاقة والأجهزة القابلة للارتداء

استفادت أجهزةتخزين الطاقةأيضًا من حبر الجرافين. فقد أظهرت الأقطاب الكهربائية المطبوعة لأنظمة البطاريات والمكثفات الفائقة أداءً عاليًا. وتتباهى بعض أقطاب الجرافين المطبوعة بمعدلات شحن/تفريغ مذهلة ودورة مستقرة على مدى مئات الدورات. وفي مجال تخزين الطاقة، تُعد المساحة السطحية العالية للجرافين ميزة إضافية. فهو يوفر مساحة لتحسين التفاعلات الكهروكيميائية.

بالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء، تُعد المرونة والوزن الخفيف لدوائر الجرافين المطبوعة ميزة كبيرة. يُستخدم حبر الجرافين في الدوائر على المنسوجات أو أغشية البوليمر. ومن الناحية العملية، تم استخدام الأجهزة المطبوعة القابلة للارتداء في أجهزة المراقبة الصحية والساعات الذكية. وهناك حالات تعمل فيها هذه الأجهزة المطبوعة بشكل جيد حتى بعد عدة دورات من التمدد والانحناء، ما يجعلها مثالية للتطبيقات المستقبلية في مجال التكنولوجيا القابلة للارتداء سريعة النمو.

الخاتمة

يتطور حبر الجرافين كمادة أساسية في التكنولوجيا الحديثة. فتركيبته الفريدة وموصلية كهربائية عالية وقوته الميكانيكية تجعله مناسبًا للطباعة ثلاثية الأبعاد ومختلف تقنيات الطباعة المتقدمة. ومن بين التطبيقات الواعدة في مجال الإلكترونيات وتكنولوجيا الاستشعار وتخزين الطاقة والأجهزة القابلة للارتداء.

الأسئلة المتداولة

س: ما مدى ثبات تركيبة حبر الجرافين؟
س: يساعد التشتت المناسب والمواد الخافضة للتوتر السطحي في الحفاظ على استقرار حبر الجرافين لفترات طويلة.

و: ما هي طريقة الطباعة التي تعطي أدق التفاصيل؟
س: توفر الطباعة النافثة للحبر تفاصيل أدق مقارنةً بالتقنيات الأخرى.

س: هل تعمل دوائر الجرافين المطبوعة على المواد المرنة؟
س: نعم، تعمل دوائر الجرافين المطبوعة بشكل جيد على ركائز مرنة.