陜西非凡士為您詳解新技術(shù)：石墨烯3D打印技術(shù)

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(dāng)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?wù)勈�墨烯�?D打印技術(shù),。

石墨烯本身的優(yōu)勢就是質(zhì)量輕,、強度高、導(dǎo)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(fù)合材料,，而會較大程度的影響石墨烯的性能（如機械強度,、導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(jìn)行仿真，在假設(shè)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(jìn)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(jìn)行熱還原，并利用化學(xué)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,。

2.電化學(xué)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(yīng)用，一個典型的例子就是電化學(xué)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，但公司沒有透露具體材料參數(shù)及打印細(xì)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(xué)活性的物質(zhì),，而石墨烯起著很重要的電化學(xué)及機械性能增強作用。

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(xué)香檳分校ShenJ.Dillon課題組聯(lián)合哈佛大學(xué)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(xué)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(fù)合漿料,，同樣地,，打印完成后也采用了高溫?zé)崽幚韺⒀趸�石墨烯進(jìn)行了還原后處理，所得到的微型電池顯示出不錯的電化學(xué)性能,，這主要得益于石墨烯較高的電導(dǎo)率和比表面積,。可以看到,，科研院所與工業(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)�,；�生產(chǎn)等,，比如儲能機理等其它特性在科學(xué)方面的解釋和探索。

3.高溫加熱器方面

馬里蘭大學(xué)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（圖5）。當(dāng)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(dá)到非常高的溫度（大約3000K,）,，加熱速率可以達(dá)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(dá)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馐牵�石墨烯��(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)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(dǎo)熱方面也會很有優(yōu)勢。

4.生物醫(yī)學(xué)方面

由于其本身較好的機械性能與導(dǎo)電性,，石墨烯材料在生物醫(yī)學(xué)方面也獨具優(yōu)勢,。美國西北大學(xué)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(fù)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?jǐn)?shù)達(dá)75%）讓打印出來的結(jié)構(gòu)具有較好的電導(dǎo)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(dá)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(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面,，研究團隊往打印的石墨烯基支架上注入了干細(xì)胞，最終的結(jié)果相當(dāng)出色,。首先,，細(xì)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(xì)胞,。