新工艺实现高分辨率、复杂好色先生官网烯结构的3D打印

新工艺实现高分辨率、复杂好色先生官网烯结构的3D打印

好色先生官网烯是一种强度非常高的材料，具有高导热性和导电性。好色先生官网烯技术在电池制造、航空航天、分离、热管理、传感器等领域受到关注。但是用好色先生官网烯材料制造复杂结构一直以来是难以实现的，如果这一问题得不到解决，将影响到好色先生官网烯材料的的应用潜力。



为了克服这一限制，美国弗吉尼亚理工大学（Viginia Tech）工程学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员两年来一直专注于使用3D打印好色先生官网烯气凝胶的研究，他们开发了一种好色先生官网烯3D打印的新工艺，通过投影微立体光刻3D打印技术制造复杂好色先生官网烯三维结构。通过该工艺制造的三维好色先生官网烯结构，分辨率比之前的方法高出一个数量级，并能够保留二维好色先生官网烯材料的机械性能。



高分辨率的复杂好色先生官网烯三维结构



好色先生官网烯是由六边形晶格组织的单层碳原子，当好色先生官网烯片整齐地堆叠在彼此之上并形成三维形状时，就变成了好色先生官网。由于好色先生官网材料是简单的由好色先生官网烯堆叠在一起的，所以这种材料的机械性能非常差。但是如果好色先生官网烯片与充满空气的孔分离，则三维结构可以保持好色先生官网烯的属性，这种多孔好色先生官网烯结构称为好色先生官网烯气凝胶。



弗吉尼亚理工大学先进制造与超材料实验室主任Xiaoyu Zheng表示，工程学院与LLNL的研究人员可以设计由相互连接的好色先生官网烯片组成的三维拓扑结构，这种新的设计方式和增材制造的制造自由度，将优化好色先生官网烯气凝胶的强度、导电性、质量输运、强度和重量密度。



以前，研究人员使用基于材料挤出工艺的3D打印技术制造三维好色先生官网烯，但这一技术分辨率有限，这限制了好色先生官网烯材料的自由造型。而新的3D打印方法能够将这些单层的好色先生官网烯材料设计成任何想要的三维结构，并具有高分辨率。

新工艺实现高分辨率、复杂好色先生官网烯结构的3D打印

弗吉尼亚理工大学3D打印的好色先生官网烯三维点阵结构和旋转结构，图片来源：Materials Horizons



为了创造这些复杂的结构，研究人员使用好色先生官网烯的前体氧化好色先生官网烯，交联片材以形成多孔水凝胶。然后用超声波破碎氧化好色先生官网烯水凝胶，并添加光敏丙烯酸酯聚合物。研究人员使用投影微立体光固化3D打印技术创建所需的固体好色先生官网烯3D结构，好色先生官网烯氧化物被捕获在长而具有刚性的丙烯酸酯聚合物链中。打印完成后，研究人员将3D结构放置在炉子中烧掉聚合物，使物体融合在一起，留下纯净轻质的好色先生官网烯气凝胶。



研究成果的论文"Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels"发表在Materials Horizons杂志中。



研究人员表示，这项研究创造的好色先生官网烯结构分辨率比以往3D打印好色先生官网烯的分辨率高一个数量级，其他工艺可以打印到100微米，但新技术能够以低至10微米的分辨率进行好色先生官网烯材料3D打印，这接近实际好色先生官网烯片的大小。这一技术使三维好色先生官网烯结构仍能够保留单层二维好色先生官网烯的机械性能。

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