新工藝實現高分辨率、復雜石墨烯結構的3D打印

新工藝實現高分辨率、復雜石墨烯結構的3D打印

石墨烯是一種強度非常高的材料，具有高導熱性和導電性。石墨烯技術在電池制造、航空航天、分離、熱管理、傳感器等領域受到關注。但是用石墨烯材料制造復雜結構一直以來是難以實現的，如果這一問題得不到解決，將影響到石墨烯材料的的應用潛力。



為了克服這一限制，美國弗吉尼亞理工大學（Viginia Tech）工程學院和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員兩年來一直專注于使用3D打印石墨烯氣凝膠的研究，他們開發了一種石墨烯3D打印的新工藝，通過投影微立體光刻3D打印技術制造復雜石墨烯三維結構。通過該工藝制造的三維石墨烯結構，分辨率比之前的方法高出一個數量級，并能夠保留二維石墨烯材料的機械性能。



高分辨率的復雜石墨烯三維結構



石墨烯是由六邊形晶格組織的單層碳原子，當石墨烯片整齊地堆疊在彼此之上并形成三維形狀時，就變成了石墨。由于石墨材料是簡單的由石墨烯堆疊在一起的，所以這種材料的機械性能非常差。但是如果石墨烯片與充滿空氣的孔分離，則三維結構可以保持石墨烯的屬性，這種多孔石墨烯結構稱為石墨烯氣凝膠。



弗吉尼亞理工大學先進制造與超材料實驗室主任Xiaoyu Zheng表示，工程學院與LLNL的研究人員可以設計由相互連接的石墨烯片組成的三維拓撲結構，這種新的設計方式和增材制造的制造自由度，將優化石墨烯氣凝膠的強度、導電性、質量輸運、強度和重量密度。



以前，研究人員使用基于材料擠出工藝的3D打印技術制造三維石墨烯，但這一技術分辨率有限，這限制了石墨烯材料的自由造型。而新的3D打印方法能夠將這些單層的石墨烯材料設計成任何想要的三維結構，并具有高分辨率。

新工藝實現高分辨率、復雜石墨烯結構的3D打印

弗吉尼亞理工大學3D打印的石墨烯三維點陣結構和旋轉結構，圖片來源：Materials Horizons



為了創造這些復雜的結構，研究人員使用石墨烯的前體氧化石墨烯，交聯片材以形成多孔水凝膠。然后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。研究人員使用投影微立體光固化3D打印技術創建所需的固體石墨烯3D結構，石墨烯氧化物被捕獲在長而具有剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。打印完成后，研究人員將3D結構放置在爐子中燒掉聚合物，使物體融合在一起，留下純凈輕質的石墨烯氣凝膠。



研究成果的論文"Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels"發表在Materials Horizons雜志中。



研究人員表示，這項研究創造的石墨烯結構分辨率比以往3D打印石墨烯的分辨率高一個數量級，其他工藝可以打印到100微米，但新技術能夠以低至10微米的分辨率進行石墨烯材料3D打印，這接近實際石墨烯片的大小。這一技術使三維石墨烯結構仍能夠保留單層二維石墨烯的機械性能。

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