弗吉尼亞理工大學(xué)和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)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(chēng)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(chēng)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(mǎn)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(chēng)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(shuō) ?!斑@種新的設(shè)計(jì)和制造自由度將以往石墨烯氣凝膠無(wú)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?xún)?yōu)化?!?br />
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(chē)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](méi)有支撐,分辨率非常有限,所以你無(wú)法獲得自由形狀因素,”鄭說(shuō)。“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?!?br />
來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)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(guò)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(kāi)始的,Ryan Hensleigh在加利福尼亞州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí) 。Hensleigh開(kāi)始與鄭先生合作,后者當(dāng)時(shí)是勞倫斯利弗莫爾國(guó)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(kāi)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(guó)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(shuō)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?!巴ǔ.?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(guó)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(kù)斯沃斯利。Zheng和Hensleigh由空軍青年研究員獎(jiǎng)(Jaimie S. Tiley博士)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(CMMI 1727492)資助。
石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最?。?.335 nm)、強(qiáng)度最高(斷裂強(qiáng)度130 GPa,是鋼的100倍)、導(dǎo)熱性最好(5300 W/m.K,比金屬銀高10倍以上)、電子遷移率極高(106 cm2/V·s,比硅高2個(gè)數(shù)量級(jí))的新型二維材料,在智能裝備、航空航天、能源儲(chǔ)存和環(huán)境治理等諸多領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大,是重要的戰(zhàn)略新興材料。
我國(guó)復(fù)旦大學(xué)在高濃度石墨烯規(guī)?;嘀苽浞矫嫒〉昧送黄?,復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧紅斌課題組與新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)系羅健平(Loh Kian Ping)課題組合作,通過(guò)在石墨烯表面引入少量可電離含氧官能團(tuán),實(shí)現(xiàn)了高濃度石墨烯(50 mg/mL)在水相中的高效率制備。相關(guān)成果已在線(xiàn)發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)上。
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