蘇州大學江、馬里蘭大學：3D打印仿生石墨烯材料，更輕、更強！

來源：高分子科學前沿

有多尺度多孔結(jié)構(gòu)的生物材料（例如，偃麥草莖的宏觀中空結(jié)構(gòu)和微觀蜂窩結(jié)構(gòu)）在很低的密度下展現(xiàn)出優(yōu)良的機械性能，為設(shè)計和制造輕質(zhì)、高機械性能的先進仿生材料提供了極佳的參考，成為材料科學領(lǐng)域的研究熱點。然而多數(shù)仿生材料局限于在單一尺度上進行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，限制了材料機械性能的提升。三維石墨烯材料的獨特性能使其在能量存儲和轉(zhuǎn)換、電子器件以及環(huán)境工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。但機械性能的不足和三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備困難等關(guān)鍵問題限制了三維石墨烯材料的實際應(yīng)用潛力。多尺度有限元分析表明，構(gòu)建多級仿生結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)三維石墨烯材料機械性能的最大化方面極具潛力，但同時其制備方法也存在很大的挑戰(zhàn)。

該文章報道了采用3D打印技術(shù)制造具有極高彈性和剛度的超輕仿生石墨烯材料（BHGM）。作者結(jié)合多尺度有限元分析，綜合采用3D打印宏觀多孔結(jié)構(gòu)、冰晶模版誘導微觀多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，設(shè)計并構(gòu)建了多尺度仿生多孔結(jié)構(gòu)。宏觀中空結(jié)構(gòu)和微觀多孔蜂窩結(jié)構(gòu)賦予BHGM極低的密度，和在高達95％的壓縮應(yīng)變下的超高彈性和穩(wěn)定性。多尺度有限元分析表明，BHGM仿生多級結(jié)構(gòu)中的宏觀和微觀多孔結(jié)構(gòu)可有效地吸收和分散應(yīng)變，有效降低材料結(jié)構(gòu)在大應(yīng)變下的破損，極大提升材料的強度和抗壓彈性。此外，這種基于墨水的3D打印策略具有多種優(yōu)勢：
（i）打印過程靈活可控，適用于快速和大規(guī)模制造;
（ii）可同時構(gòu)建從微觀尺度到宏觀尺度的多尺度仿生多孔結(jié)構(gòu);
（iii）易于通過調(diào)整打印程序控制宏觀幾何形狀和尺寸。將這種多尺度多孔仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念和3D打印策略擴展至構(gòu)建其他二維功能材料的三維仿生結(jié)構(gòu)，在需要高剛度、超彈性和低密度的應(yīng)用中具有巨大潛力。

圖文導讀：

圖1：堰麥草和3D打印仿生多級石墨烯材料。

圖2：在3D打印的多級石墨烯結(jié)構(gòu)中，宏觀尺度到微觀尺度的變形和壓縮應(yīng)變的多尺度有限元分析。

圖3：3D打印多級石墨烯材料和仿生多級石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和壓縮性能的對比。

圖4：3D打印的仿生多級石墨烯材料作為納米發(fā)電機中的可壓縮電極。

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902930