《Advanced Science》：北航羅斯達教授團隊實現原位3D打印宏觀石墨烯結構
時間：2022-12-10 19:57 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：3D打印具備無模具、快速設計、自由成型的獨特優勢，成為眾多行業產品設計、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等尖端技術的引入，3D打印的發展趨勢也逐漸朝著結構的功能化與智能化方向發展。石墨烯具備極其優異的物理特性與多功能屬性，成為與3D打印融合的關鍵材料技術，可匹配新一代柔性電子、可穿戴設備、仿生機器人、功能結構等先進器件/裝備的多場景應用。
然而，目前石墨烯結構的3D打印依托于傳統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。
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造性地提出激光誘導石墨烯選區增材制造技術（LIG-AM），來實現多自由形態石墨烯宏觀結構的設計、加工與功能應用。相關論文已經發表在《Advanced Science》雜志上。
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的LIG-AM技術僅通過特種紅外激光即可同步實現特定高分子粉末原料的連接與碳化。將這項技術擴展到高分子粉床的層層選擇性加工，即可實現宏觀石墨烯結構的原位3D打印。同時，該技術可比擬SLS、SLM等金屬3D打印技術的優勢，可快速制備任意復雜形狀的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，將聚合物轉化為單層LIG石墨烯；
③ 繼續鋪上新一層粉末，然后再次激光照射；
④如此往復，得到多層LIG石墨烯結構。
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構，以及復雜晶格類與零件類（齒輪、葉片等）結構。此外，LIG-AM技術的獨特優勢還在于可通過激光能量的調節來選擇燒結區與碳化區，即通過數字化激光加工可進一步制備高分子/石墨烯混雜結構，例如石墨烯導電內通道、石墨烯表面圖案化導電通路等。這項研究工作對3D打印領域來說意義是巨大的。
據悉，除了加工優勢之外，LIG-AM技術通過激光能量的進一步細微調控可優化石墨烯打印結構的多物理/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的加工優勢與出色性能可制備各類功能器件以實現多場景應用，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。
綜合利用LIG-AM獨特的數字化選區加工優勢以及多功能石墨烯原位成型技術，或可為未來裝備的選區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構的智能飛機機翼模型。其中機翼主體結構通過較低激光能量僅燒結粉體原料，以達到高強度的目的（12.7 MPa）。機翼內嵌一個石墨烯蜂窩傳感結構，可實時監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構，可承受700-800 ℃的高溫，并可吸收90%以上的電磁波。
綜上所述，本研究創新地提出一種基于數字化激光加工的石墨烯增材制造技術（LIG-AM），實現了多自由形態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結合的同步增材制造新思路，可為未來智能高端裝備的選區功能化同步制造帶來指導意義。
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
然而，目前石墨烯結構的3D打印依托于傳統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。
△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造性地提出激光誘導石墨烯選區增材制造技術（LIG-AM），來實現多自由形態石墨烯宏觀結構的設計、加工與功能應用。相關論文已經發表在《Advanced Science》雜志上。
△圖1. LIG-AM技術的（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的LIG-AM技術僅通過特種紅外激光即可同步實現特定高分子粉末原料的連接與碳化。將這項技術擴展到高分子粉床的層層選擇性加工，即可實現宏觀石墨烯結構的原位3D打印。同時，該技術可比擬SLS、SLM等金屬3D打印技術的優勢，可快速制備任意復雜形狀的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，將聚合物轉化為單層LIG石墨烯；
③ 繼續鋪上新一層粉末，然后再次激光照射；
④如此往復，得到多層LIG石墨烯結構。
△視頻：LIG-AM制備渦輪結構的工藝流程
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構，以及復雜晶格類與零件類（齒輪、葉片等）結構。此外，LIG-AM技術的獨特優勢還在于可通過激光能量的調節來選擇燒結區與碳化區，即通過數字化激光加工可進一步制備高分子/石墨烯混雜結構，例如石墨烯導電內通道、石墨烯表面圖案化導電通路等。這項研究工作對3D打印領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）復雜零件類結構
據悉，除了加工優勢之外，LIG-AM技術通過激光能量的進一步細微調控可優化石墨烯打印結構的多物理/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的加工優勢與出色性能可制備各類功能器件以實現多場景應用，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用
綜合利用LIG-AM獨特的數字化選區加工優勢以及多功能石墨烯原位成型技術，或可為未來裝備的選區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構的智能飛機機翼模型。其中機翼主體結構通過較低激光能量僅燒結粉體原料，以達到高強度的目的（12.7 MPa）。機翼內嵌一個石墨烯蜂窩傳感結構，可實時監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構，可承受700-800 ℃的高溫，并可吸收90%以上的電磁波。
△圖4. LIG-AM技術制造的機翼模型，（a）概念、（b）實物展示及其關鍵（c）智能蜂窩、（d）智能前緣與（e）智能蒙皮石墨烯結構
綜上所述，本研究創新地提出一種基于數字化激光加工的石墨烯增材制造技術（LIG-AM），實現了多自由形態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結合的同步增材制造新思路，可為未來智能高端裝備的選區功能化同步制造帶來指導意義。
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
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