西北工业大学机电学院Xiaohu Chen等–3D打印氧化石墨烯碳纳米管水凝胶电路用于多功能火灾报警和消防

水凝胶电路材料有着广泛的应用，特别是在柔性电子领域。然而，开发具有优异性能的智能水凝胶电路材料仍然是一个难题。基于电路结构的柔性设计和直接喷墨3D打印技术，设计了一种可打印的导电藻酸钠/石墨烯/碳纳米管(SGC)油墨，实现了高分辨率、多功能的三维石墨烯基柔性电路。与以往工作相比，氧化石墨烯、SWCNT和Ca²⁺的加入使SGC具有优异的导电性和阻燃性。SGC的电导率达到24.11S/m，比SA水凝胶高3倍。LOI在99.7%以上，远高于大多数导电聚合物。我们对3D打印具有复杂结构的多功能SGC水凝胶进行了初步探索，并提供了理论基础，有望在柔性电路、消防、人工电子皮肤等领域得到应用。

图1. 3D打印SGC水凝胶的制备工艺。

图2. 3D打印SGC水凝胶:(a)栅格为10mm的九格三维结构。(b)栅格为1.5mm的分层网状三维结构(c) 3D打印高纵横比结构上的悬垂特征。

图3. SGC水凝胶的电特性:a) SGC水凝胶在切割-愈合状态下的电流变化。b) LED与SGC水凝胶线连接构成串联电路、并联电路和串并联电路。c)连接到开关程序电路的SGC水凝胶的单极三掷开关的原理图和照片。d)用于解锁智能手机的SGC水凝胶电子皮肤演示。e)使用SGC水凝胶作为触屏笔操作iPad。

图4. SGC水凝胶和SAHs优异的柔性:(a)弯曲水凝胶的电导率测量过程。(b) SGC水凝胶的柔韧性和可塑性。

图5. SGC水凝胶和SAHs的力学性能及FT-IR图谱: a) SGC-3 (d=0.0712 mm, L=30 mm)的应力-应变图。b) SGC-4(d = 0.440 mm, L= 30 mm)的应力-应变图。c) SGC-5(d=0.915 mm, L= 30 mm)的应力-应变图。d) SGC-4和SAH-3的应力-应变对比图。e) SGC水凝胶与SAHs的载荷变形对比图。f) SGC水凝胶和SAHs的红外光谱。

图6. SGC水凝胶的阻燃性能:(a) SGC水凝胶的燃烧情况。(b)纸带燃烧对比实验。(c) SGC水凝胶的隔热实验。d) SGC水凝胶的点火过程。

相关研究成果由西北工业大学机电学院Xiaohu Chen等人于2023年发表在Polymer Testing (https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107905)上。原文：3D printing of graphene oxide/carbon nanotubes hydrogel circuits for multifunctional fire alarm and protection。