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LLNL和UVa精細開發(fā)3D打印石墨烯對象的新工藝

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責任編輯：六月芳菲時間：2018-08-27 10:51

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[導讀]弗吉尼亞理工大學工程學院和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印石墨烯工藝，石墨烯是航空航天，能量儲存和絕緣材料中性能最高的材料之一。

弗吉尼亞理工大學工程學院和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印石墨烯工藝，石墨烯是航空航天，能量儲存和絕緣材料中性能最高的材料之一。

圖片來源：Virginia Tech

石墨烯是以六邊形晶格組織的單層碳原子。當石墨烯片整齊地堆疊在彼此之上并形成三維形狀時，它變成石墨，通常稱為鉛筆中的“鉛”。

由于石墨是簡單的石墨烯包裝在一起，因此它具有相當差的機械性能。但是如果石墨烯片與充滿空氣的孔分離，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)稱為石墨烯氣凝膠。

以前，研究人員只能使用直接墨水或其他基于擠出的方法3D打印石墨烯氣凝膠。但該技術(shù)只能創(chuàng)建堆疊在自身頂部的簡單對象。

“使用這種技術(shù)，你可以創(chuàng)造非常有限的結(jié)構(gòu)，因為沒有支持，分辨率非常有限，所以你無法獲得自由形態(tài)因素，”小玉“雷恩”鄭說，他是LLNL實驗室前科學家，現(xiàn)任助理教授弗吉尼亞理工大學機械工程專業(yè)“我們所做的就是將這些石墨烯層設(shè)計成任何你想要的高分辨率形狀。”

三年前，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和弗吉尼亞理工大學的科學家和工程師開始專注于使用光的3D打印石墨烯氣凝膠，這種方法稱為投影微立體光刻技術(shù)。

在投影微立體光刻中，紫外光用于將部分層的圖像投影到光敏液體樹脂中，光敏液體樹脂被固化并硬化成圖像的形狀。使用這種方法，研究人員能夠降低通過基于擠出的方法印刷的3D石墨烯氣凝膠的分辨率，從大約100微米到大約10微米。

為了創(chuàng)造這些復雜的結(jié)構(gòu)，研究人員開始使用氧化石墨烯（石墨烯的前??體），使片材交聯(lián)形成多孔水凝膠。通過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，研究人員可以使用投影微立體光刻技術(shù)來創(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而剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。最后，他們將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。

放大在草莓開花的石墨烯八位組桁架。圖片來源：Virginia Tech

該項目的主要挑戰(zhàn)之一是提出與微立體光刻工藝兼容的石墨烯氣凝膠樹脂。 Ryan Hensleigh，LLNL的暑期實習生，正在攻讀博士學位。在弗吉尼亞理工大學的大分子科學與工程專業(yè)，他表示，在找到合適的組合之前，他在兩年內(nèi)研究了許多化學混合物。

“與已經(jīng)完成的相比，這是一項重大突破，”Hensleigh說道。 “我們可以獲得您想要的任何所需結(jié)構(gòu)。”從石墨烯氣凝膠印刷復雜結(jié)構(gòu)的能力也為許多應(yīng)用打開了大門，這些應(yīng)用可以受益于計算機驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計，如航空航天，反應(yīng)堆，海水淡化廠和化學處理。

“我們已經(jīng)能夠證明你可以制作一個復雜的3D石墨烯結(jié)構(gòu)，同時仍保留其內(nèi)在的主要特性，”鄭說。 “通常當你嘗試3D打印石墨烯或放大尺寸時，你會失去其單一紙張形式的大部分利潤豐厚的機械性能。”

科學家和工程師現(xiàn)在正在尋求增加3D打印部件的表面積，并將進一步研究以確定精確的參數(shù)以進一步優(yōu)化該技術(shù)。

這項工作的主要發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在Materials Horizo??ns雜志上。

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