《Advanced Science》：北航羅斯達教授團隊實現(xiàn)原位3D打印宏觀石墨烯結(jié)構(gòu)

南極熊導(dǎo)讀：3D打印具備無模具、快速設(shè)計、自由成型的獨特優(yōu)勢，成為眾多行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、驗證、性能升級的強大制造手段。而隨著人工智能與萬物互聯(lián)等尖端技術(shù)的引入，3D打印的發(fā)展趨勢也逐漸朝著結(jié)構(gòu)的功能化與智能化方向發(fā)展。石墨烯具備極其優(yōu)異的物理特性與多功能屬性，成為與3D打印融合的關(guān)鍵材料技術(shù)，可匹配新一代柔性電子、可穿戴設(shè)備、仿生機器人、功能結(jié)構(gòu)等先進器件/裝備的多場景應(yīng)用。

然而，目前石墨烯結(jié)構(gòu)的3D打印依托于傳統(tǒng)液相組裝與氣相生長，面臨加工過程繁瑣、條件苛刻、成型尺寸與形狀受限等諸多挑戰(zhàn)。

△3D打印的石墨烯渦輪葉片

2022年12月10日，南極熊獲悉，近日，北京航空航天大學羅斯達教授團隊創(chuàng)造性地提出激光誘導(dǎo)石墨烯選區(qū)增材制造技術(shù)（LIG-AM），來實現(xiàn)多自由形態(tài)石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加工與功能應(yīng)用。相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在《Advanced Science》雜志上。

△圖1. LIG-AM技術(shù)的（a）成型原理與（b）工藝流程

如圖1，在無需引入額外膠粘劑與催化劑的條件下，羅斯達教授團隊開發(fā)的LIG-AM技術(shù)僅通過特種紅外激光即可同步實現(xiàn)特定高分子粉末原料的連接與碳化。將這項技術(shù)擴展到高分子粉床的層層選擇性加工，即可實現(xiàn)宏觀石墨烯結(jié)構(gòu)的原位3D打印。同時，該技術(shù)可比擬SLS、SLM等金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，可快速制備任意復(fù)雜形狀的3D石墨烯。

詳細的原理和流程如下，詳見視頻：

① 將分散的粉末平鋪在打印平臺上；
② 激光照射粉末融合聚合物，將聚合物轉(zhuǎn)化為單層LIG石墨烯；
③ 繼續(xù)鋪上新一層粉末，然后再次激光照射；
④如此往復(fù)，得到多層LIG石墨烯結(jié)構(gòu)。

△視頻：LIG-AM制備渦輪結(jié)構(gòu)的工藝流程

圖2則展示了一系列可從毫米級擴展到分米級的等截面與變截面結(jié)構(gòu)，以及復(fù)雜晶格類與零件類（齒輪、葉片等）結(jié)構(gòu)。此外，LIG-AM技術(shù)的獨特優(yōu)勢還在于可通過激光能量的調(diào)節(jié)來選擇燒結(jié)區(qū)與碳化區(qū)，即通過數(shù)字化激光加工可進一步制備高分子/石墨烯混雜結(jié)構(gòu)，例如石墨烯導(dǎo)電內(nèi)通道、石墨烯表面圖案化導(dǎo)電通路等。這項研究工作對3D打印領(lǐng)域來說意義是巨大的。

△圖2. LIG-AM制備各類（a）等截面、（b）變截面、（c）混雜及（d）復(fù)雜零件類結(jié)構(gòu)

據(jù)悉，除了加工優(yōu)勢之外，LIG-AM技術(shù)通過激光能量的進一步細微調(diào)控可優(yōu)化石墨烯打印結(jié)構(gòu)的多物理/功能特性，包括密度（<50 mg/cm3）、比表面積（>400 m2/g）、抗拉強度（>7 MPa）、斷裂伸長率（>200%）、電導(dǎo)率（>45 S/m）、壓阻靈敏度（>90）、焦耳熱溫度（>200 ℃）等。如圖3所示，利用LIG-AM的加工優(yōu)勢與出色性能可制備各類功能器件以實現(xiàn)多場景應(yīng)用，例如柔性傳感器、加熱器、超級電容器、有機物收集器、人工肌肉等。

△圖3. LIG-AM制備的各類器件及其多功能應(yīng)用

綜合利用LIG-AM獨特的數(shù)字化選區(qū)加工優(yōu)勢以及多功能石墨烯原位成型技術(shù)，或可為未來裝備的選區(qū)功能化同步增材制造帶來可能性。

圖4則展示了通過LIG-AM一次性打印出一個含有多種石墨烯功能結(jié)構(gòu)的智能飛機機翼模型。其中機翼主體結(jié)構(gòu)通過較低激光能量僅燒結(jié)粉體原料，以達到高強度的目的（12.7 MPa）。機翼內(nèi)嵌一個石墨烯蜂窩傳感結(jié)構(gòu)，可實時監(jiān)測來自不同方向的載荷。機翼前緣整體為石墨烯，兼具超疏水及焦耳熱特性，可實現(xiàn)主動防冰與被動加熱除冰的效果。機翼表面亦為石墨烯薄層結(jié)構(gòu)，可承受700-800 ℃的高溫，并可吸收90%以上的電磁波。

△圖4. LIG-AM技術(shù)制造的機翼模型，（a）概念、（b）實物展示及其關(guān)鍵（c）智能蜂窩、（d）智能前緣與（e）智能蒙皮石墨烯結(jié)構(gòu)

綜上所述，本研究創(chuàng)新地提出一種基于數(shù)字化激光加工的石墨烯增材制造技術(shù)（LIG-AM），實現(xiàn)了多自由形態(tài)宏觀石墨烯的定制化制備，提供了智能材料與高強度材料選區(qū)結(jié)合的同步增材制造新思路，可為未來智能高端裝備的選區(qū)功能化同步制造帶來指導(dǎo)意義。

該項目研究獲得國家自然科學基金（T2121003 & 61701015）、北京市自然科學基金（3202017）、北歌研究院（BGI202015）和中國博士后科學基金（2021M700324）的聯(lián)合資助。

論文信息：

英文題目 Laser‐Induced Graphene Enabled Additive Manufacturing of Multifunctional 3D Architectures with Freeform Structures
所有作者英文全名： Fu Liu, Yan Gao, Guantao Wang, Dan Wang, Yanan Wang, Meihong He, Xilun Ding, Haibin Duan, Sida Luo*
期刊全稱：Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202204990
原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204990