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弗吉尼亚理工大学和LLNL研究人员开发了3D打印石墨烯的新工艺

  有 843 人浏览   日期:2018-08-28 11:47

文章摘要:弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种使用石墨烯3D打印复杂物体的新方法,石墨烯是电池和航空航天工业中使用最高性能的材料之一。......

  

弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种使用石墨烯3D打印复杂物体的新方法,石墨烯是电池和航空航天工业中使用最高性能的材料之一。

以前,研究人员只能在2D板材或基本结构中打印这种材料,称为石墨烯。已经进行了多次3D打印尝试,但是纯石墨烯太粘而不能通过材料挤出进行3D打印。即使作为热聚合物基质中的复合材料,已经证明通过激光烧结和立体光刻工艺进行加工也具有挑战性。一些相对较小的成功已经看到用于导电热聚合物长丝的材料。

但弗吉尼亚理工大学的工程师现在已经合作开展了一个项目,该项目允许他们以比打印前更高的分辨率3D打印石墨烯对象,从而解锁了理论上创建任何尺寸或形状的石墨烯的能力。

“与已经完成的工作相比,这是一项重大突破,我们可以获得几乎任何所需的结构。”

Xiaoyu“Rayne”Zheng,工程学院机械工程系助理教授,先进制造与超材料实验室主任。

由于其强度,石墨烯是地球上测试过的最强材料之一;其高导热性和导电性,3D打印的石墨烯对象在某些行业中将备受瞩目,包括电池、航空航天、分离、热管理、传感器和催化。

石墨烯是以六边形晶格组织的单层碳原子。当石墨烯片整齐地堆叠在彼此之上并形成三维形状时,它变成石墨,通常称为铅笔中的“铅”。由于石墨是简单的石墨烯包装在一起,因此它具有相当差的机械性能。但是如果石墨烯片与充满空气的孔分离,则三维结构可以保持其性质。该多孔石墨烯结构称为石墨烯气凝胶。

“现在设计师可以设计由相互连接的石墨烯片组成的三维拓扑结构。” 工程学院机械工程系助理教授,先进制造与超材料实验室主任 Xiaoyu“Rayne”Zheng说 。“这种新的设计和制造自由度将以往石墨烯气凝胶无法实现的强度、导电性、传质、强度和重量密度的方式加以优化。”

郑,也是大分子创新研究所的附属教员 ,已获得研究纳米级材料的资助,并将其扩展到轻型和功能性材料,用于航空航天、汽车和电池。以前,研究人员可以使用挤压工艺打印石墨烯,有点像挤牙膏,但这种技术只能创建堆叠在自身顶部的简单物体。

“由于挤压,你可以创造非常有限的结构,因为没有支撑,分辨率非常有限,所以你无法获得自由形状因素,”郑说。“我们所做的就是将这些石墨烯层设计成任何你想要的高分辨率形状。”

来自弗吉尼亚理工大学工程学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种新的3D打印石墨烯工艺,这是迄今为止测试过的最强材料之一,其分辨率比以往任何时候都高出一个数量级。

这个项目是在三年前开始的,Ryan Hensleigh在加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室实习 。Hensleigh开始与郑先生合作,后者当时是劳伦斯利弗莫尔国家实验室技术人员。当郑在2016年加入弗吉尼亚理工大学的教师时,Hensleigh作为一名学生跟随并继续从事该项目。

为了创造这些复杂的结构,Hensleigh开始使用氧化石墨烯,石墨烯的前体,交联片材以形成多孔水凝胶。用超声波破碎氧化石墨烯水凝胶并添加光敏丙烯酸酯聚合物,Hensleigh可以使用投影微立体光刻法创建所需的固体3D结构,其中石墨烯氧化物被捕获在长而刚性的丙烯酸酯聚合物链中。最后,Hensleigh将3D结构放置在炉子中以烧掉聚合物并将物体融合在一起,留下纯净轻质的石墨烯气凝胶。

弗吉尼亚理工大学和LLNL研究人员开发了3D打印石墨烯的新工艺

放大扫描电子显微镜图片的石墨烯八位组桁架分辨率为1微米。

弗吉尼亚理工大学和LLNL研究人员开发了3D打印石墨烯的新工艺

放大的石墨烯八度桁架扫描电子显微镜照片,分辨率为10微米。

最近与劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作者在Materials Horizons杂志上发表的这项工作的关键发现是,研究人员创造了石墨烯结构,其分辨率比以往打印的数量级更精细。Hensleigh说其他工艺可以打印到100微米,但新技术使他能够以低至10微米的分辨率打印,这接近实际石墨烯片的大小。

“我们已经能够证明可以制作一个复杂的三维石墨烯结构,同时仍保留一些内在的主要特性。”郑表示。“通常当你尝试3D打印石墨烯或放大时,你会失去大部分机械性能。”

合作者包括郑氏实验室的博士生Huachen Cui和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的六个人:詹姆斯奥克戴尔、叶建超、帕特里克坎贝尔、埃里克杜斯、克里斯托弗斯巴达奇尼和马库斯沃斯利。Zheng和Hensleigh由空军青年研究员奖(Jaimie S.Tiley博士)和国家科学基金会(CMMI 1727492)资助。

想要了解更多关于石墨烯打印,可以了解一下曼彻斯特大学的3D打印石墨烯电池项目,2018年11月中旬,中国3D打印技术产业联盟将组织联盟企业进行考察对接,此行几所国外大学近期的研究成果:

曼彻斯特大学--3D打印石墨烯电池

谢菲尔德大学--3D打印集成电子/光学器件

诺丁汉大学--可逆信息存储3D打印极致变色材料

帝国理工--用于海水淡化3D打印膜,3D打印超软生物机构

剑桥大学--3D打印纳米级磁路

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