3D打印的自组装石墨烯展示了分层复合材料的潜力

3D打印的自组装石墨烯展示了分层复合材料的潜力-CompositesPlus

超轻石墨烯晶格漂浮在羽毛上。图片来源:Nanowerk 研究人员

在过去的十年中,研究人员在使用增材制造 (AM) 技术生产从微观到宏观尺度的精确定制晶格结构方面取得了重大进展,从而产生了受天然结构材料的高性能多尺度结构启发的人造材料例如木材和贝壳,例如 可回收的液晶聚合物. 清华大学伯克利分校副教授凌奎表示,虽然“由于现有制造方法在控制具有高复杂性的多尺度分层结构方面的能力有限,从纳米到宏观的结构控制仍然是一项重大挑战”深圳研究院,石墨烯——具有超低密度、高压缩性、比表面积和导电性等多种特性——被认为是通过可控自组装生成多功能 3D 网络的理想构建块,即使仍然存在制造具有高结构复杂性的 3D 纯石墨烯结构具有挑战性。

“因此,我们希望结合制造方法和材料特性的优势,以保持功能材料的原始特性(如石墨烯结构的低密度和大变形能力)并研究它们的结构依赖性,”邱解释说背景对于该团队的最新工作,报告在 Advanced Functional Materials 中,“ 3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures ”。

在这项工作中,团队使用石墨烯作为模型构建块,就像乐高积木一样。通过使用 3D 打印模板和自组装技术,石墨烯“乐高积木”可以组装成从纳米到宏观尺度的程序化结构,从而能够制造具有超过创纪录的七个数量级的复杂、可定制特征尺寸的材料量级——从纳米到厘米。据报道,这导致了具有可调机械性能的石墨烯结构的制造,从刚性(模块比其他超轻材料高一个数量级)到超弹性(能够从极端 95% 的压缩中恢复)。根据邱的说法,结果是一种密度为每立方厘米 0.08 毫克的材料,比空气的密度低 15 倍。

邱指出,这项研究不仅为制造程序化石墨烯结构提供了一种简便的方法,而且揭示了通过合理设计多长度尺度结构来定制其特性的可能性,以应对大量应用。

“我们的工作提供了一种潜在的通用方法,可以使用不同的功能纳米材料创建具有高分辨率、多尺度设计的多样化 3D 结构,从而扩展现有 3D 打印技术的制造能力,”该论文的第一作者周景卓指出。

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具有七个数量级大小的可控特征的 MSGS 结构。图片来源:周景卓、吴昕、陈彦、杨创、杨瑞、谭俊阳、刘一伦、邱玲、程慧明。“多尺度石墨烯结构的 3D 打印模板导向组装。” 先进功能材料。 2022. 第 32 卷,第 18 期。版权所有 Wiley-VCH GmbH。经许可转载。

尽管已经有几篇关于从 3D 打印模板衍生的宏观结构的报道,但据说它们主要集中在注入材料的成分(例如,磁流体的场响应)与 3D 打印聚合物(或剩余的碳化骨架)作为结构支撑。相比之下,这项工作的新颖之处在于模板内石墨烯片的可控自组装,与之前使用纯功能材料(模板完全去除)的工作相比,它能够对结构进行更高的精度控制。

一般来说,块状材料的机械强度(如杨氏模量)随着体积密度的降低呈指数下降,这限制了轻质材料的开发和应用。但是由于这种新颖的制造技术,制造具有创纪录的低密度和创纪录的高模量的结构成为可能。

例如,在这项工作中展示的石墨烯结构可以实现超低密度(主要在每立方厘米 0.1-1 毫克范围内)和相​​应的超高刚度(杨氏模量比报道的高一个数量级)相同密度的材料)。

该团队还将他们的石墨烯结构用于制造陶瓷。通常,制造多层陶瓷结构很困难;微观结构不易控制,宏观结构难以加工。通过使用新型石墨烯结构作为模板,结合沉积技术,研究人员表明,在空气烧结后可以获得复制石墨烯分层结构的纯陶瓷结构。

“我们的 3D 打印模板导向组装方法可以应用于其他聚合物或纳米粒子胶体分散系统,扩大了可以制造成精心定制架构的材料范围,”邱指出。“实现多尺度结构的高设计自由度,为系统研究结构-性能关系提供了材料平台。最后但同样重要的是,一系列潜在材料几乎无限的结构设计自由度为面向应用的架构的创建、优化和定制提供了几乎无限的可能性。”

例如,这种方法可以为制造具有定制精细结构的储能装置中的 3D 电极提供潜在的通用解决方案,以便电解质渗透和快速离子扩散,从而优化面能量密度和功率密度。

在此处阅读Nanowerk的 Michael Berger撰写的完整原创文章。

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