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纸上铅笔电阻特性及其影响参数

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#楼主# 2020-4-2

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    随着电子产品向轻量化、柔性化的方向发展,传统的刚性电路板已经不能满足当前电子器件的需求,而纸基电路重量轻、能生物降解、形成的电路易折叠等特点,纸基电子技术发展迅速。纸基柔性电子电路作为一种低成本的柔性电子产品,而用铅笔在纸上画画建立石墨电路是最简单和最容易的方法。

    铅笔画的导线可以导电,导电线的电阻特性受到诸多参数的影响。在汉斯出版社《应用物理》期刊中,有论文分析了铅笔导线电阻特性影响参数,得出铅笔导线的电阻特性受到导线的长度、厚度、宽度、不同石墨含量、压力的影响,并进行了实验验证。

    铅笔的笔芯是用石墨和粘土按一定的比例混合而成,石墨是碳元素的一种同素异形体,是一种灰色结晶的物质,在每层原子中以较强的共价键连接,在相同层内,每个碳原子周边连接着另外三个碳原子,以共价键结合,排列方式成蜂巢式的多个六边形,而各层间以弱的范德瓦尔斯连接。

    石墨的导电、导热性能很好,热膨胀系数小,化学稳定性强,可塑性高。铅笔通过机械磨损形成了剥落的石墨颗粒,导致黑色沉积物,我们称之为铅笔痕迹。有趣的是,铅笔芯的电阻远远大于铅笔痕迹。铅笔通过机械磨损而在纸表面留下黑色痕迹,这意味着纸表面必须足够粗糙才能获得石墨电路。

    研究用铅笔在纸上画出的导线的电阻特性,在实际操作中,由于接触方式的不同,对电阻的影响大小也不同,同时对不同的实验的影响也不同,所以经过粗略比较,我们主要使用以下两种接触方式:面接触和点接触。从理论和实验结果来看,我们可以验证导线长度与电阻呈线性正相关关系,而且随着铅笔笔芯里石墨与粘土中粘土比例越大,即铅笔的硬度越高,电阻随长度的变化就越明显。

    经研究,我们知道导线截面越大,电阻值就越小,同时通过实验数据的画出的曲线,我们可以直接看出来。压力主要是通过影响石墨粒子间的距离并使其减小,体积密度变大,电阻减小,结合实验数据,我们做了线性拟合,发现压力和电阻之间存在负相关关系,相关系数在0.8~1之间,属于强相关关系。在研究电阻随温度的关系时,我们主要是通过查询资料,结合现有的实验条件,根据石墨的一些特性,即石墨在所受温度小于600摄氏度时,随着温度升高,电阻率会降低。在我们预设的30~110摄氏度范围内,实验结果表明电阻随温度升高而降低。

    通过阅读前人的一些论文,我们发现关于这个纸基电路还可以运用到柔性电子技术中,同时关于纸上铅笔痕迹,我们可以做一些电子器件,如电容,场效应晶体管和RC滤波器等,同时在探究影响导线电阻的研究对象上,我们还可以做不同的纸、紫外线照射对电阻的影响等。并且在对压力的研究中,我们可以做一些改进,比如画出铅笔痕迹的拉曼光谱。

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