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科學家開發3D打印石墨烯新方法

作者:中國科學院成都有機化學有限公司 來源:http://m.chun-tian.cn 日期:2015-03-03 09:58:13


盡管目前大多數桌面級3D打印機都僅限于塑料線材,但許多制造專家都認為,該技術更多的創造潛力蘊藏在范圍更廣的其它材料及其應用特性上,比如石墨烯這種神奇的高科技材料。因此,當倫敦一個科學家團隊成功地使用石墨烯材料完成3D打印后,不可避免地吸引了眾多關注的目光。

  眾所周知,石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料,只有一個碳原子的厚度。它有很多有趣的特性:幾乎完全透明、導電性強、可彎折、機械強度好(比鋼強約一百倍)。從它2004年第一次被成功制造出來之后,就被科技界廣泛看好,認為它是一種顛覆性的全新材料。

  近日,來自倫敦帝國學院材料系的一個研究團隊,由Esther Garcia Tunon Blanca、Suelen Barg、Victoria Garcia Rocha和Eduardo Saiz Gutierrez教授組成,并聯合來自Warwick大學、Bath大學和deSantiagodeCompostela大學的團隊,找到了一種3D打印石墨烯的方法。

  他們開發的這種技術主要基于FDM3D打印,已經發表在今年1月份出版的《Advanced Materials》雜志上,標題《為使用石墨烯進行三維度打印(Printing in Three Dimensions with Graphene)》。

  這里需要說明的是,要制造石墨烯對象需要精準地復制出石墨烯六邊形圖案。為了做到這一點,倫敦帝國學院的團隊開發出了一種“FDM線材”,這種線材含有混合了響應型聚合物(可誘導觸發某種行為的聚合物)的石墨烯薄片。在這種情況下,石墨烯薄片的化學屬性發生了一定的變化,使其具有了適當的粘彈性,并能與上下層石墨烯薄片結合在一起。

  最初,研究團隊的目標是3D打印完整的石墨烯結構,而非復合材料。這在一個水基體系里似乎是能夠實現的。但該項研究的負責人Esther Garcia-Tunon Blanca解釋說,這實際上是不可能的。“石墨烯是非常疏水的,因此不可能直接配制到水基油墨中。研究人員因此使用了一種經過化學改性的石墨烯——也被稱為石墨烯氧化物(GO)——來代替。GO可在水中進行處理,并建立所需的結構。”

  簡單地說,它具有類似塑料線材的功能。García-Tunon Blanca告訴記者稱:“我們的配方材料擁有熔融沉積式3D打印工藝中所需要的流動性和物理性能:他們能夠流過很小的噴嘴,并在通過后立即固化,保留形狀。”她說,“我們用這種二維物質作為構建材料以創建宏觀3D結構。我們使用的技術被稱為直接墨水書寫(DIW)也被稱為直接寫組件(DWA),或Robocasting。”

  據研究人員介紹,這種石墨烯“線材”能夠通過擠出頭3D打印100微米層厚的對象。而García-Tunon感覺它也可以適用于其它的層厚設置。一旦3D打印成指定的結構之后,這個石墨烯對象還需要進行熱處理,以確保它具有石墨烯的所有特性。在此之后,這些3D打印對象就可以用于各種處理,并且仍然會保持其石墨烯的性質。

  由此來看,這項研究似乎是非常成功的,盡管García-Tunon指出,“在增材制造和石墨烯技術方面仍然有許多挑戰需要克服。離我們能夠直接3D打印出一臺多材料、多部件、可實際使用的設備還有很長的路要走。

  作為此次研發項目的一部分,科學家們正在為其石墨烯線材尋找特定的應用,比如柔性電子等。他們還聯手ImperialInnovations共同探索他們的3D打印石墨烯技術的商業化路徑。據說他們的一些工業合作伙伴已經接近開發出相應的應用。一項正在進行中的計劃是為機器人結構3D打印石墨烯“皮膚”。

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