石墨烯3D打印工藝及其應用

石墨烯特殊的二維蜂巢晶格單原子層結構決定了其具有獨特的物理性能,，如質(zhì)量輕,、比表面積大,、導電導熱性好,、力學強度高等,，因此可作為理想的結構和功能性填料來制備復合材料,。

3D打印是近年來快速發(fā)展的成型制造工藝,，又被稱為“增材制造”。相比于傳統(tǒng)的減材制造過程,，減少了模具制造的過程,。這種無模具自由成形的技術擺脫了空間幾何及設計工藝的束縛,，可將復雜結構設計轉(zhuǎn)變成實體產(chǎn)品。

將3D打印技術與石墨烯/聚合物基復合材料的制備結合起來,，可以實現(xiàn)復合材料的快速制造成型,，制造復雜結構的產(chǎn)品。石墨烯的加入,，使得3D打印產(chǎn)品具有更好的力學性能和功能特性,，同時還可以更方便地制備梯度化功能制品。

此外,，3D打印逐層制造的方式,，抑制了石墨烯在聚合物基體中的大面積團聚，更有利于實現(xiàn)均勻分散,。目前用于石墨烯/聚合物基復合材料的3D打印方式主要有以下四種,。

噴墨打印成型（Inkjet）
噴墨打印已在電子電路、柔性器件等方面得到了廣泛的應用,。在常用的壓電式噴墨打印成型過程中,，打印材料首先溶解或者分散在溶劑中形成“墨汁”，而后根據(jù)打印需要適時將電壓加在壓電陶瓷片上使其產(chǎn)生變形,，擠壓腔體中的墨汁使其逐滴噴出,，在基板上層層累積形成需要打印的形狀，最后通過熱處理,、光照,、冷凍干燥等后處理方式去除溶劑定型。

石墨烯高載流子遷移率使得其非常適用于納米電子器件的制備,，噴墨打印便是一種常用的方便高效的制備方法,。而聚合物的加入可以穩(wěn)定墨汁，防止石墨烯沉淀分層,，還可以調(diào)節(jié)墨汁黏度,，使其處于便于打印的范圍。噴墨打印成型設備簡單,，成本低,，操作簡易，非常適用于制備微納米器件和電子電路,。

熔融沉積成型（FDM）

熔融沉積成型主要適用于熱塑性聚合物的3D打印,，是目前最常用的一種3D打印方式。該方法需要將聚合物制備成標準直徑的線材,，而后通過步進電機將線材輸送至噴頭處,，加熱熔融擠出，在基板上根據(jù)所需形狀層層堆疊粘連，冷卻固化后得到所需成型件,。

FDM熔融沉積成型實例

將通過熔融混合,、溶液混合等方式制得的石墨烯/聚合物基復合材料通過擠出機等設備制成3D打印線材，即可進行石墨烯/聚合物基復合材料的熔融沉積成型,。

石墨烯的加入不僅可以增強3D打印制件的力學性能,，還可以賦予制件優(yōu)異的電學、熱學以及摩擦磨損性能等,。熔融沉積成型可打印材料廣泛,，設備成本低，操作簡便,，打印速度快,，并且可以用多噴頭同時打印不同種類的材料，因此是最具有工業(yè)應用前景的打印方式之一,，制備的部件具有用于機械,、汽車、航空航天等領域的潛力,。

立體光固化成型(SLA)

立體光固化成型也稱立體平板印刷或立體光刻,，是一種以光敏樹脂為打印材料的成型方式。激光束按照設計路線掃描液態(tài)光敏樹脂表面,，使得光敏樹脂特定區(qū)域固化,，形成模型的一層截面。而后升降臺向下移動一個微小的距離,，進行新一層截面的固化,，直至形成完整制件。

采用立體光固化方式成型石墨烯/聚合物基復合材料時,，一般將石墨烯溶于溶劑后加入光敏樹脂中或者直接加入樹脂中混合,，之后進行光固化成型,。立體光固化成型打印精度很高,，表面質(zhì)量優(yōu)異，可以成型很復雜的結構,，是目前高端3D打印市場的主流技術,，常用于生物支架、口腔醫(yī)學等生物醫(yī)藥領域,。

Graphene SLA立體光固化成型實例

選擇性激光燒結（SLS）

選擇性激光燒結是一種適用于粉末成型的3D打印方式,，主要用于金屬和陶瓷粉末的打印，但也可用于熱塑性聚合物粉末,。

向聚合物粉末中加入石墨烯,，可以提高粉末的導熱性能，對于減小熱翹曲有顯著改善作用,。同時,，石墨烯也可以改善制件的力學性能,。

目前采用選擇性激光燒結成型石墨烯/聚合物基復合材料的報道還相對較少，并且主要集中在尼龍基材料上,，今后的研究可向更多的復合材料種類拓展,。

Graphene SLS選擇性激光燒結成型實例

石墨烯/聚合物基復合材料和3D打印成型方式是兩個近年來快速發(fā)展的研究方向，將二者結合起來,，可為石墨烯/聚合物基復合材料功能性制件的復雜結構成型提供有效的解決途徑,。采用3D打印成型石墨烯/聚合物基復合材料的很多技術目前還不夠成熟，仍處于研究之,，但其在電子,、能源、生物醫(yī)藥,、機械,、航空航天等多個領域的應用前景值得期待。

文章來源：3D打印技術參考