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弗吉尼亞理工大學(xué)和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種使用石墨烯3D打印復(fù)雜物體的新方法，石墨烯是電池和航空航天工業(yè)中使用最高性能的材料之一。

以前，研究人員只能在2D板材或基本結(jié)構(gòu)中打印這種材料，稱為石墨烯。已經(jīng)進(jìn)行了多次3D打印嘗試，但是純石墨烯太粘而不能通過材料擠出進(jìn)行3D打印。即使作為熱聚合物基質(zhì)中的復(fù)合材料，已經(jīng)證明通過激光燒結(jié)和立體光刻工藝進(jìn)行加工也具有挑戰(zhàn)性。一些相對(duì)較小的成功已經(jīng)看到用于導(dǎo)電熱聚合物長(zhǎng)絲的材料。

但弗吉尼亞理工大學(xué)的工程師現(xiàn)在已經(jīng)合作開展了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目允許他們以比打印前更高的分辨率3D打印石墨烯對(duì)象，從而解鎖了理論上創(chuàng)建任何尺寸或形狀的石墨烯的能力。

“與已經(jīng)完成的工作相比，這是一項(xiàng)重大突破，我們可以獲得幾乎任何所需的結(jié)構(gòu)。”

Xiaoyu“Rayne”Zheng，工程學(xué)院機(jī)械工程系助理教授，先進(jìn)制造與超材料實(shí)驗(yàn)室主任。

由于其強(qiáng)度 - 石墨烯是地球上測(cè)試過的最強(qiáng)材料之一 - 其高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，3D打印的石墨烯對(duì)象在某些行業(yè)中將備受矚目，包括電池，航空航天，分離，熱管理，傳感器和催化。

石墨烯是以六邊形晶格組織的單層碳原子。當(dāng)石墨烯片整齊地堆疊在彼此之上并形成三維形狀時(shí)，它變成石墨，通常稱為鉛筆中的“鉛”。由于石墨是簡(jiǎn)單的石墨烯包裝在一起，因此它具有相當(dāng)差的機(jī)械性能。但是如果石墨烯片與充滿空氣的孔分離，則三維結(jié)構(gòu)可以保持其性質(zhì)。該多孔石墨烯結(jié)構(gòu)稱為石墨烯氣凝膠。

“現(xiàn)在設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)由相互連接的石墨烯片組成的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，” 工程 學(xué)院機(jī)械工程系助理教授， 先進(jìn)制造與超材料實(shí)驗(yàn)室主任 Xiaoyu“Rayne”Zheng說 。“這種新的設(shè)計(jì)和制造自由度將以往石墨烯氣凝膠無法實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度，導(dǎo)電性，傳質(zhì)，強(qiáng)度和重量密度的方式加以優(yōu)化。”

鄭，也是大分子創(chuàng)新研究所的附屬教員 ，已獲得研究納米級(jí)材料的資助，并將其擴(kuò)展到輕型和功能性材料，用于航空航天，汽車和電池。以前，研究人員可以使用擠壓工藝打印石墨烯，有點(diǎn)像擠牙膏，但這種技術(shù)只能創(chuàng)建堆疊在自身頂部的簡(jiǎn)單物體。

“由于擠壓，你可以創(chuàng)造非常有限的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闆]有支撐，分辨率非常有限，所以你無法獲得自由形狀因素，”鄭說。“我們所做的就是將這些石墨烯層設(shè)計(jì)成任何你想要的高分辨率形狀。”

來自弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印石墨烯工藝，這是迄今為止測(cè)試過的最強(qiáng)材料之一，其分辨率比以往任何時(shí)候都高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

這個(gè)項(xiàng)目是在三年前開始的，Ryan Hensleigh在加利福尼亞州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí) 。Hensleigh開始與鄭先生合作，后者當(dāng)時(shí)是勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員。當(dāng)鄭在2016年加入弗吉尼亞理工大學(xué)的教師時(shí)，Hensleigh作為一名學(xué)生跟隨并繼續(xù)從事該項(xiàng)目。

為了創(chuàng)造這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，Hensleigh開始使用氧化石墨烯，石墨烯的前體，交聯(lián)片材以形成多孔水凝膠。用超聲波破碎氧化石墨烯水凝膠并添加光敏丙烯酸酯聚合物，Hensleigh可以使用投影微立體光刻法創(chuàng)建所需的固體3D結(jié)構(gòu)，其中石墨烯氧化物被捕獲在長(zhǎng)而剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。最后，Hensleigh將3D結(jié)構(gòu)放置在爐子中以燒掉聚合物并將物體融合在一起，留下純凈輕質(zhì)的石墨烯氣凝膠。

放大掃描電子顯微鏡圖片的石墨烯八位組桁架分辨率為1微米。

放大的石墨烯八度桁架掃描電子顯微鏡照片，分辨率為10微米。

最近與勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室合作者在Materials Horizons雜志上發(fā)表的這項(xiàng)工作的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，研究人員創(chuàng)造了石墨烯結(jié)構(gòu)，其分辨率比以往打印的數(shù)量級(jí)更精細(xì)。Hensleigh說其他工藝可以打印到100微米，但新技術(shù)使他能夠以低至10微米的分辨率打印，這接近實(shí)際石墨烯片的大小。

“我們已經(jīng)能夠證明可以制作一個(gè)復(fù)雜的三維石墨烯結(jié)構(gòu)，同時(shí)仍保留一些內(nèi)在的主要特性，”鄭表示。“通常當(dāng)你嘗試3D打印石墨烯或放大時(shí)，你會(huì)失去大部分機(jī)械性能。”

合作者包括鄭氏實(shí)驗(yàn)室的博士生Huachen Cui和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的六個(gè)人 - 詹姆斯奧克戴爾，葉建超，帕特里克坎貝爾，埃里克杜斯，克里斯托弗斯巴達(dá)奇尼和馬庫斯沃斯利。Zheng和Hensleigh由空軍青年研究員獎(jiǎng)(Jaimie S. Tiley博士)和國家科學(xué)基金會(huì)(CMMI 1727492)資助。

想要了解更多關(guān)于石墨烯打印，可以了解一下曼徹斯特大學(xué)的3D打印石墨烯電池項(xiàng)目，2018年11月中旬，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟將組織聯(lián)盟企業(yè)進(jìn)行考察對(duì)接，此行幾所國外大學(xué)近期的研究成果：

曼徹斯特大學(xué)--3D打印石墨烯電池

謝菲爾德大學(xué)--3D打印集成電子/光學(xué)器件

諾丁漢大學(xué)--可逆信息存儲(chǔ)3D打印極致變色材料

帝國理工--用于海水淡化3D打印膜，3D打印超軟生物機(jī)構(gòu)

劍橋大學(xué)--3D打印納米級(jí)磁路