石墨烯3D打印工藝及其應(yīng)用

石墨烯特殊的二維蜂巢晶格單原子層結(jié)構(gòu)決定了其具有獨(dú)特的物理性能,，如質(zhì)量輕,、比表面積大,、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好,、力學(xué)強(qiáng)度高等,，因此可作為理想的結(jié)構(gòu)和功能性填料來制備復(fù)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(shù)擺脫了空間幾何及設(shè)計(jì)工藝的束縛，可將復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成實(shí)體產(chǎn)品,。

將3D打印技術(shù)與石墨烯/聚合物基復(fù)合材料的制備結(jié)合起來,，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速制造成型，制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xué)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(tuán)聚,，更有利于實(shí)現(xiàn)均勻分散,。目前用于石墨烯/聚合物基復(fù)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(yīng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)直徑的線材,，而后通過步進(jìn)電機(jī)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(shí)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(fù)合材料通過擠出機(jī)等設(shè)備制成3D打印線材,，即可進(jìn)行石墨烯/聚合物基復(fù)合材料的熔融沉積成型,。

石墨烯的加入不僅可以增強(qiáng)3D打印制件的力學(xué)性能，還可以賦予制件優(yōu)異的電學(xué),、熱學(xué)以及摩擦磨損性能等,。熔融沉積成型可打印材料廣泛，設(shè)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(yīng)用前景的打印方式之一,，制備的部件具有用于機(jī)械、汽車,、航空航天等領(lǐng)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(shè)計(jì)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是目前高端3D打印市場的主流技術(shù),，常用于生物支架,、口腔醫(yī)學(xué)等生物醫(yī)藥領(lǐng)域,。

Graphene SLA立體光固化成型實(shí)例

選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)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(dǎo)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(xué)性能。

目前采用選擇性激光燒結(jié)成型石墨烯/聚合物基復(fù)合材料的報(bào)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(fù)合材料種類拓展。

Graphene SLS選擇性激光燒結(jié)成型實(shí)例

石墨烯/聚合物基復(fù)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(jié)合起來,，可為石墨烯/聚合物基復(fù)合材料功能性制件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的很多技術(shù)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(jī)械、航空航天等多個領(lǐng)域的應(yīng)用前景值得期待,。

文章來源：3D打印技術(shù)參考