温州大学等《ChemistrySelect》：工业规模制备！石墨烯-CNT-导电炭黑三元浆料，用于印刷电子产品

核心创新点：

• “点-线-面”三元导电体系：石墨烯（面）、碳纳米管（线）、导电炭黑（点）协同构建导电网络。CB 填充石墨烯片层间隙、抑制再堆叠；CNT 桥接石墨烯域、防止印刷/压缩微裂纹。
• 从“唯电导率论”转向“商业可行性综合评估”：不以最高电导率为唯一目标，同时考察印刷均匀性、连续印刷稳定性、基材兼容性、环境适应性。
• 关键性能指标：
  • 压缩后：方阻 3.8 ± 1.5 Ω/sq，电导率 (4.4 ± 0.6) × 10⁴ S/m
  • 未压缩：电导率 (1.9 ± 0.7) × 10⁴ S/m（适配热敏基材）
  • 方阻标准差较纯石墨烯降低约 80%
  • 100 次连续丝网印刷性能不衰减
  • RFID 读取距离 4.1 m @ 30 dBm EIRP（8.2 m @ 36 dBm EIRP）
• 环境鲁棒性：中等 Q 因子拓宽带宽，在 ε_r = 1–7 的多种介电基材及弱极性溶剂中读取距离波动 < 20%，远优于铝蚀刻天线（衰减可达 70–80%）。

图1、A schematic diagram of tertiary paste printed RFID tag prepared in this work.

综上所述，开发了一种点-线-面三元导电浆料体系，从根本上解决了长期阻碍基于石墨烯的印刷电子产品实现工业规模应用的关键瓶颈——即电导率不理想、印刷耐久性差以及批次间变异性过大等问题。通过将石墨烯纳米片与碳纳米管（CNTs）和导电碳黑（CB）协同整合，我们建立了一种稳健的导电架构：其中，碳黑纳米颗粒填充了片间空隙，从而抑制了重新团聚并提高了接触均匀性；而碳纳米管则形成了渗流网络，连接了相邻的石墨烯域，并防止了在印刷和压制过程中因应力引起的微裂纹扩展。系统优化表明，在非石墨烯碳含量固定为15 wt%的情况下，CB:CNT质量比为7:3时性能最佳，可实现3.8 ± 1.5 Ω/ sq的表面电阻，以及（4.4 ± 0.6）× 10⁴ S/m的电导率——这些数值可与最先进的石墨烯油墨相媲美，同时在未压缩状态下仍能保持（1.9 ± 0.7）× 10⁴ S/m的电导率，从而大幅扩展了基底兼容性。更重要的是，该三元体系展现出卓越的片电阻均匀性，其标准差较原始石墨烯降低了约80%，同时在连续100次丝网印刷循环中仍能保持稳定的印刷性能且无性能衰减——这直接解决了长期困扰石墨烯基印刷电子产品的工艺不一致性问题。通过制造 UHF RFID 天线，验证了该方法的实际可行性：这些天线在 30 dBm EIRP 时可提供 4.1 m 的读取距离（在 36 dBm EIRP 时为 8.2 m），满足了实际应用的要求。此外，适中的Q因子带来的固有工作带宽扩展赋予了该材料出色的失谐抗扰性：在多种介电基板（εr = 1–7）及弱极性溶剂环境中，读取距离波动均控制在20%以内，其性能表现远优于传统铝蚀刻产品——后者在相同条件下性能会下降高达70%。

这项研究在基于石墨烯的印刷电子导电油墨设计领域开创了范式转变：超越以导电性为核心的优化，转向对商业可行性的整体考量，涵盖印刷均匀性、工艺稳定性、基板兼容性以及环境适应性。本文提出的点-线-面三元体系为跨越基于石墨烯的RFID技术“死亡谷”提供了一条稳健且具有工业可行性的路径，有望加速可持续印刷电子技术在从智能包装、资产追踪到可穿戴设备及物联网基础设施等广泛应用领域的普及。在后续研究中，除了UHF RFID之外，还将进一步探索该三元浆料在不同频段的应用潜力，并将其与先前文献进行比较。此外，后续研究将超越无线识别领域，基于电学、光化学和电化学原理的传感应用将成为研究的关键重点。

文献：https://doi.org/10.1002/slct.74530