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LLNL和UVa精細(xì)開(kāi)發(fā)3D打印石墨烯對(duì)象的新工藝

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責(zé)任編輯：六月芳菲時(shí)間：2018-08-27 10:51

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[導(dǎo)讀]弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)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?jī)?chǔ)存和絕緣材料中性能最高的材料之一。

弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)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?jī)?chǔ)存和絕緣材料中性能最高的材料之一。

圖片來(lái)源：Virginia Tech

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

由于石墨是簡(jiǎn)單的石墨烯包裝在一起，因此它具有相當(dāng)差的機(jī)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(jiǎn)單對(duì)象。

“使用這種技術(shù)，你可以創(chuàng)造非常有限的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闆](méi)有支持，分辨率非常有限，所以你無(wú)法獲得自由形態(tài)因素，”小玉“雷恩”鄭說(shuō)，他是LLNL實(shí)驗(yàn)室前科學(xué)家，現(xiàn)任助理教授弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)“我們所做的就是將這些石墨烯層設(shè)計(jì)成任何你想要的高分辨率形狀。”

三年前，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和弗吉尼亞理工大學(xué)的科學(xué)家和工程師開(kāi)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(shù)脂中，光敏液體樹(shù)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(guò)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究人員開(kāi)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(kāi)花的石墨烯八位組桁架。圖片來(lái)源：Virginia Tech

該項(xiàng)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(shù)脂。 Ryan Hensleigh，LLNL的暑期實(shí)習(xí)生，正在攻讀博士學(xué)位。在弗吉尼亞理工大學(xué)的大分子科學(xué)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(xué)混合物。

“與已經(jīng)完成的相比，這是一項(xiàng)重大突破，”Hensleigh說(shuō)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力也為許多應(yīng)用打開(kāi)了大門，這些應(yīng)用可以受益于計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如航空航天，反應(yīng)堆，海水淡化廠和化學(xué)處理。

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

科學(xué)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(jìn)一步研究以確定精確的參數(shù)以進(jìn)一步優(yōu)化該技術(shù)。

這項(xiàng)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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