新工艺实现高分辨率、复杂石墨烯结构的3D打印

石墨烯是一种强度非常高的材料,具有高导热性和导电性。石墨烯技术在电池制造、航空航天、分离、热管理、传感器等领域受到关注。但是用石墨烯材料制造复杂结构一直以来是难以实现的,如果这一问题得不到解决,将影响到石墨烯材料的的应用潜力。

为了克服这一限制,美国弗吉尼亚理工大学(Viginia Tech)工程学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员两年来一直专注于使用3D打印石墨烯气凝胶的研究,他们开发了一种石墨烯3D打印的新工艺,通过投影微立体光刻3D打印技术制造复杂石墨烯三维结构。通过该工艺制造的三维石墨烯结构,分辨率比之前的方法高出一个数量级,并能够保留二维石墨烯材料的机械性能。

高分辨率的复杂石墨烯三维结构

石墨烯是由六边形晶格组织的单层碳原子,当石墨烯片整齐地堆叠在彼此之上并形成三维形状时,就变成了石墨。由于石墨材料是简单的由石墨烯堆叠在一起的,所以这种材料的机械性能非常差。但是如果石墨烯片与充满空气的孔分离,则三维结构可以保持石墨烯的属性,这种多孔石墨烯结构称为石墨烯气凝胶。

弗吉尼亚理工大学先进制造与超材料实验室主任Xiaoyu Zheng表示,工程学院与LLNL的研究人员可以设计由相互连接的石墨烯片组成的三维拓扑结构,这种新的设计方式和增材制造的制造自由度,将优化石墨烯气凝胶的强度、导电性、质量输运、强度和重量密度。

以前,研究人员使用基于材料挤出工艺的3D打印技术制造三维石墨烯,但这一技术分辨率有限,这限制了石墨烯材料的自由造型。而新的3D打印方法能够将这些单层的石墨烯材料设计成任何想要的三维结构,并具有高分辨率。

新工艺实现高分辨率、复杂石墨烯结构的3D打印

为了创造这些复杂的结构,研究人员使用石墨烯的前体氧化石墨烯,交联片材以形成多孔水凝胶。然后用超声波破碎氧化石墨烯水凝胶,并添加光敏丙烯酸酯聚合物。研究人员使用投影微立体光固化3D打印技术创建所需的固体石墨烯3D结构,石墨烯氧化物被捕获在长而具有刚性的丙烯酸酯聚合物链中。打印完成后,研究人员将3D结构放置在炉子中烧掉聚合物,使物体融合在一起,留下纯净轻质的石墨烯气凝胶。

研究成果的论文”Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels”发表在Materials Horizons杂志中。

研究人员表示,这项研究创造的石墨烯结构分辨率比以往3D打印石墨烯的分辨率高一个数量级,其他工艺可以打印到100微米,但新技术能够以低至10微米的分辨率进行石墨烯材料3D打印,这接近实际石墨烯片的大小。这一技术使三维石墨烯结构仍能够保留单层二维石墨烯的机械性能。

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