石墨烯是一種強(qiáng)度非常高的材料，具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。石墨烯技術(shù)在電池制造、航空航天、分離、熱管理、傳感器等領(lǐng)域受到關(guān)注。但是用石墨烯材料制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)一直以來是難以實(shí)現(xiàn)的，如果這一問題得不到解決，將影響到石墨烯材料的的應(yīng)用潛力。
為了克服這一限制，美國弗吉尼亞理工大學(xué)（Viginia Tech）工程學(xué)院和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)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(fā)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(shù)制造復(fù)雜石墨烯三維結(jié)構(gòu)。通過該工藝制造的三維石墨烯結(jié)構(gòu)，分辨率比之前的方法高出一個(gè)數(shù)量級，并能夠保留二維石墨烯材料的機(jī)械性能。
高分辨率的復(fù)雜石墨烯三維結(jié)構(gòu)
石墨烯是由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)，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(jī)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(jié)構(gòu)可以保持石墨烯的屬性，這種多孔石墨烯結(jié)構(gòu)稱為石墨烯氣凝膠。
弗吉尼亞理工大學(xué)先進(jìn)制造與超材料實(shí)驗(yàn)室主任Xiaoyu Zheng表示，工程學(xué)院與LLNL的研究人員可以設(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)，這種新的設(shè)計(jì)方式和增材制造的制造自由度，將優(yōu)化石墨烯氣凝膠的強(qiáng)度、導(dǎo)電性、質(zhì)量輸運(yùn)、強(qiáng)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(shù)制造三維石墨烯，但這一技術(shù)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?qū)⑦@些單層的石墨烯材料設(shè)計(jì)成任何想要的三維結(jié)構(gòu)，并具有高分辨率。
為了創(chuàng)造這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究人員使用石墨烯的前體氧化石墨烯，交聯(lián)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(shù)創(chuàng)建所需的固體石墨烯3D結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(zhì)的石墨烯氣凝膠。
研究成果的論文”Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels”發(fā)表在Materials Horizons雜志中。
研究人員表示，這項(xiàng)研究創(chuàng)造的石墨烯結(jié)構(gòu)分辨率比以往3D打印石墨烯的分辨率高一個(gè)數(shù)量級，其他工藝可以打印到100微米，但新技術(shù)能夠以低至10微米的分辨率進(jìn)行石墨烯材料3D打印，這接近實(shí)際石墨烯片的大小。這一技術(shù)使三維石墨烯結(jié)構(gòu)仍能夠保留單層二維石墨烯的機(jī)械性能。
