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陜西非凡士為您詳解新技術(shù)：石墨烯3D打印技術(shù)

2020-08-14

目前，市面上的3D打印主要的材料包括：塑料、金屬、陶瓷和生物材料為主。而石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀二維材料，它只有一個原子層厚度，又叫做單原子層石墨。當這些石墨烯層按照一定的規(guī)律“堆積”起來就形成了石墨。今天陜西非凡士就和大家來談談石墨烯的3D打印技術(shù)。

石墨烯本身的優(yōu)勢就是質(zhì)量輕、強度高、導電性好。而石墨烯3D打印目前主流采用的是擠出式3D打?。╡xtrusion-based3Dprinting）技術(shù)，其核心與關(guān)鍵也正是打印過程中所用的漿料（或線材），這需要先獲取石墨烯及其衍生物（氧化石墨烯等），分散于合適的高粘度高分子材料或其他溶劑中形成漿料并3D打印成所需三維結(jié)構(gòu)，待打印結(jié)束后，通過后處理方式（如退火等）提高石墨烯的還原程度及純度。值得注意的是，上述3D打印過程獲取的往往是石墨烯基復合材料，而會較大程度的影響石墨烯的性能（如機械強度、導電性等），因此漿料（或線材）的配制方案需要巧妙拿捏，這個配制及打印出來的結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域通常也有著不同的要求，下面針對幾個不同的應用領(lǐng)域舉例說明。

　1.機械強度方面

說到高強度，首先必提的是前段時間比較熱門的麻省理工學院MarkusBuehler團隊研究結(jié)果，他們利用計算機仿真模型對石墨烯的三維結(jié)構(gòu)進行仿真，在假設沒有缺陷的情況下對其強度做出的結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的極限拉伸強度（2.7GPa）可以比普通高10倍。該團隊利用3D打印制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)進一步說明了三維結(jié)構(gòu)及石墨烯材料的優(yōu)勢，雖然該打印的螺旋二十四面體（Gyroid）結(jié)構(gòu)體積與實際體積有21個數(shù)量級之大，但在一定程度上仍印證了石墨烯在該領(lǐng)域的前景。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室MarcusA.Worsley團隊也利用3D打印技術(shù)獲得石墨烯微晶格氣凝膠，該打印的漿料是將氧化石墨烯超聲分散于水中，再混入增強劑（如氣相二氧化硅等）獲得，3D打印結(jié)束后在氮氣中1050℃高溫退火處理對氧化石墨烯進行熱還原，并利用化學溶劑刻蝕掉二氧化硅等物質(zhì)以獲得純石墨烯微晶格氣凝膠，該結(jié)構(gòu)與普通塊體石墨烯的機械性能測試結(jié)果表明，3D打印的石墨烯更具優(yōu)勢，楊氏模量值高一個數(shù)量級。

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2.電化學儲能方面

除了高機械性能外，石墨烯材料其實已在很多功能器件里得到應用，一個典型的例子就是電化學儲能器件（主要包括電池和超級電容器），目前三明治結(jié)構(gòu)和平面型結(jié)構(gòu)是兩個主流構(gòu)型，Graphene3DLab公司就推出的3D打印石墨烯材料組裝了三明治結(jié)構(gòu)電池（圖4），但公司沒有透露具體材料參數(shù)及打印細節(jié)，據(jù)推測該電池材料中除石墨烯外，還包括其他具有電化學活性的物質(zhì)，而石墨烯起著很重要的電化學及機械性能增強作用。

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在工業(yè)界以外，很多科研院所也注意到3D打印技術(shù)在電池領(lǐng)域的可行性，伊利諾伊大學香檳分校ShenJ.Dillon課題組聯(lián)合哈佛大學的JenniferA.Lewis課題組于2013年率先利用3D打印技術(shù)打印出微型鋰離子電池器件，隨后在2016年，馬里蘭大學的LiangbingHu課題組注意到了石墨烯在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢，他們通過氧化石墨烯的引入，獲得石墨烯-活性無機材料（磷酸鐵鋰或鈦酸鋰）基復合漿料，同樣地，打印完成后也采用了高溫熱處理將氧化石墨烯進行了還原后處理，所得到的微型電池顯示出不錯的電化學性能，這主要得益于石墨烯較高的電導率和比表面積?？梢钥吹剑蒲性核c工業(yè)領(lǐng)域的公司有著不同的關(guān)注點，科研人員更多著眼于未來，關(guān)注產(chǎn)品的性價比及規(guī)模化生產(chǎn)等，比如儲能機理等其它特性在科學方面的解釋和探索。

3.高溫加熱器方面

馬里蘭大學的LiangbingHu課題組使用3D打印技術(shù)制備氧化石墨烯三維結(jié)構(gòu)，通過碳化還原，得到石墨烯基馬蹄形迷你高溫加熱器。當施加電流在這種加熱器上時，該加熱器能夠以超快的速度（小于100毫秒）達到非常高的溫度（大約3000K,），加熱速率可以達到20,000K/s，而且具有優(yōu)越的穩(wěn)定性（>2000周期，持續(xù)保持高溫超過一天沒有明顯衰減）。團隊成員介紹：“沒有一種基于金屬或者陶瓷的熔爐/加熱器可以達到這樣高的溫度，因為在這樣高的溫度下，大部分的金屬都會溶解，陶瓷也會分解?！敝档米⒁馐?，石墨烯導熱系數(shù)高達5300W·m-1·K-1，高于碳納米管和金剛石，相信3D打印石墨烯技術(shù)在導熱方面也會很有優(yōu)勢。

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4.生物醫(yī)學方面

由于其本身較好的機械性能與導電性，石墨烯材料在生物醫(yī)學方面也獨具優(yōu)勢。美國西北大學RamilleN.Shah和MarkC.Hersam研究組利用擠出式3D打印技術(shù)打印出石墨烯與一種可降解聚酯（PLG）形成的復合材料，由于其獨特的漿料配方，其中占據(jù)較大組分的石墨烯（質(zhì)量分數(shù)達75%）讓打印出來的結(jié)構(gòu)具有較好的電導和機械性能，而剩下的PLG組分是一種具有生物相容性的材料，能夠保證結(jié)構(gòu)柔韌性和穩(wěn)定性。打印精度可達100微米以下（打印速度40毫米/秒），打印出來的三維結(jié)構(gòu)被證實可以較穩(wěn)定的應用于生物醫(yī)學方面，研究團隊往打印的石墨烯基支架上注入了干細胞，最終的結(jié)果相當出色。首先，細胞存活了下來，然后繼續(xù)分裂、增殖并轉(zhuǎn)化成類似神經(jīng)元的細胞.

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