在精确检测机械变形和热波动方面，对石墨烯基智能复合材料的需求与日俱增。然而，由于石墨烯添加剂的导电率较低，其随机分散性限制了传感性能。
本文，兰州大学张强强教授团队在《Carbon》期刊
发表名为“
3D printing graphene lattice enabled smart silicate composites with piezoresistive and thermoelectric effects
”的论文，
研究
采用自上而下的策略制造了智能石墨烯-硅酸盐复合材料（GSCs），将硅酸盐基体可控地灌注到三维打印的石墨烯晶格中。
由于石墨烯形成了高度连续的网络，GSCs 的导电性显著增强（6.49 ∼ 43.47S/m），石墨烯含量的阈值极低（0.1wt.%）。GSCs 的导电率比随机分散石墨烯的传统陶瓷复合材料高出 100 多倍。
三维石墨烯与硅酸盐之间的互穿微结构使其具有很高的坚固性，并增强了机械性能的抗疲劳性。因此，三维石墨烯晶格作为一种多功能的多尺度感知网络，使 GSC 能够准确检测外部机械和热刺激。GSCs 具有超灵敏的压阻行为（ΔR/R ∼ -2.0%），可检测的应变范围为 0 至 1.1%。此外，GSCs 还表现出比三维石墨烯晶格更高的塞贝克系数（20.14 μV K-1），使其能够高灵敏度地监测外部温度波动。因此，GSCs 为创建基于三维石墨烯单片的高导电性智能复合材料提供了一条新途径，在热机械传感器、损伤监测器和能量收集器等应用领域具有广阔的发展前景。
图1. 石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）自上而下的制备和传感性能设计流程图。(a) 高导电性石墨烯-硅酸盐复合材料的制备过程，包括直接涂墨、原位水热处理、冷冻干燥和热退火。(b)-(d) 压阻效应和热电效应导致的压力和温度传感性能示意图。
图2. 石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）的微结构表征。
图3. 石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）的导电性研究。
图4、石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）的机械和压阻特性。石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）的机械和压阻特性。
图5. 石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）电阻的温度传感性能。
图6. 石墨烯/硅酸盐复合材料（GSCs）的热电性能。(a) 不同温度下的电压输出响应。(b) ΔT 与 ΔV 之间的关系。(c) 20 小时内产生的电压。(d) 在循环加热-冷却过程中热电特性的稳定性。
图7. 对 GSC 热电性能的影响。
本研究采用自上而下的方法合成了智能石墨烯-硅酸盐复合材料（GSCs），其中硅酸盐基体被可控地注入到具有极高孔隙率的三维打印石墨烯晶格中。高度相互连接的石墨烯网络显著提高了导电性，导电范围从 6.49 到 43.47S/m，石墨烯含量的阈值非常低，仅为0.1wt.%。GSCs 的导电率是随机分散石墨烯的传统陶瓷复合材料的100多倍。三维石墨烯网络和硅酸盐相之间形成的互穿微结构赋予了其卓越的机械坚固性和更好的抗疲劳性。GSC 具有高灵敏度的压阻行为和负的电阻温度系数。因此，作为多尺度传感网络的三维石墨烯晶格使 GSC 能够对外部机械和热刺激做出有效响应。此外，GSCs还具有显著的热电性能，其塞贝克系数高达20.14μV K-1，超过了纯三维石墨烯晶格，从而有助于精确监测温度波动。这些研究结果表明，GSCs为开发高导电性石墨烯基智能复合材料提供了一种前景广阔的方法，有望应用于热机械传感、损伤检测和能量收集等领域。未来的研究应侧重于压阻和热电机制的理论研究，并进一步提高对更大变形和更高温度的传感能力。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120026
