北航羅斯達(dá)團(tuán)隊：多功能、多自由形態(tài)激光誘導(dǎo)石墨烯選區(qū)增材制造技術(shù)

來源: 化學(xué)加網(wǎng)

3D打印 具備無模具、快速設(shè)計、自由成型的獨特優(yōu)勢，成為幾乎所有行業(yè)集產(chǎn)品設(shè)計、驗證、性能升級為一體的強大制造手段。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(jī)器人、功能結(jié)構(gòu)等先進(jìn)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)。

最北京航空航天大學(xué)羅斯達(dá)教授創(chuàng)造性地提出激光誘導(dǎo)石墨烯選區(qū)增材制造（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。如圖1所示，在無需引入額外膠粘劑與催化劑的條件下，LIG-AM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。將該技術(shù)擴(kuò)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等金屬增材制造的優(yōu)勢，可快速制備任意復(fù)雜形狀的石墨烯結(jié)構(gòu)。如圖2展示了一系列可從毫米級擴(kuò)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(jìn)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。

圖1. LIG-AM的（a）成型原理與（b）工藝流程

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)

除加工優(yōu)勢之外，LIG-AM通過激光能量的進(jìn)一步細(xì)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(jī)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(jī)機(jī)翼模型。其中機(jī)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(dá)到高強度的目的（12.7 MPa）。機(jī)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(jī)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(jī)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智能機(jī)翼模型的（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，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(xué)基金（T2121003 & 61701015）、北京市自然科學(xué)基金（3202017）、北歌研究院（BGI202015）和中國博士后科學(xué)基金（2021M700324）的聯(lián)合資助，謹(jǐn)此感謝。

論文信息：

Fu Liu, Yan Gao, Guantao Wang, Dan Wang, Yanan Wang, Meihong He, Xilun Ding, Haibin Duan, Sida Luo*. Laser‐Induced Graphene Enabled Additive Manufacturing of Multifunctional 3D Architectures with Freeform Structures. Advanced Science. DOI: 10.1002/advs.202204990

原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204990