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英国科学家开发 FDM 3D打印石墨烯材料的新方法

英国科学家开发 FDM 3D打印石墨烯材料的新方法


尽管目前大多数桌面级 3D 打印机都仅限于塑料线材,但许多制造专家都认为,该技术更多的创造潜力蕴藏在范围更广的其它材料及其应用特性上,比如石墨烯这种神奇的高科技材料。

因此,当伦敦一个科学家团队成功地使用石墨烯材料完成 3D 打印后,不可避免地吸引了众多关注的目光。

近日,来自伦敦帝国学院材料系的一个研究团队,由 Esther Garcia Tunon Blanca、 Suelen Barg、 Victoria Garcia Rocha 和 Eduardo Saiz Gutierrez 教授组成,并联合来自 Warwick 大学、Bath大学和 DE Santiago de Compostela 大学的团队,找到了一种 3D 打印石墨烯的方法。

他们开发的这种技术主要基于 FDM 3D 打印,已经发表在今年 1 月份出版的《Advanced Materials》杂志上,标题《 为 使 用 石 墨 烯 进 行 三 维 度 打 印(Printing in Three Dimensons with Graphene)》。

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这里需要说明的是,要制造石墨烯对象需要精准地复制出石墨烯六边形图案。为了做到这一点,伦敦帝国学院的团队开发出了一种“FDM 线材”,这种线材含有混合了响应型聚合物(可诱导触发某种行为的聚合物)的石墨烯薄片。在这种情况下,石墨烯薄片的化学属性发生了一定的变化,使其具有了适当的粘弹性,并能与上下层石墨烯薄片结合在一起。最初,研究团队的目标是 3D 打印完整的石墨烯结构,而非复合材料。这在一个水基体系里似乎是能够实现的。但该项研究的负责人解释说,这实际上是不可能的。“石墨烯是非常疏水的,因此不可能直接配制到水基油墨中。研究人员因此使用了一种经过化学改性的石墨烯——也被称为石墨烯氧化物(GO)——来代替。GO 可在水中进行处理,并建立所需的结构。”简单地说,它具有类似塑料线材的功能。 Garcia Tunon Blanca 告诉记者称:“我们的配方材料拥有熔融沉积式 3D打印工艺中所需要的流动性和物理性能:他们能够流过很小的喷嘴,并在通过后立即固化,保留形状。”她说,“我们用这种二维物质作为构建材料以创建宏观 3D 结构。我们使用的技术被称为直接墨水书写(DIW)也被称为直接写组件(DWA),或 Robocasting。”

据研究人员介绍,这种石墨烯“线材”能够通过挤出头 3D打印 100微米层厚的对象。而 Garcia Tunon Blanca 感觉它也可以适用于其它的层厚设置。一旦3D 打印成指定的结构之后,这个石墨烯对象还需要进行热处理,以确保它具有石墨烯的所有特性。在此之后,这些 3D 打印对象就可以用于各种处理,并且仍然会保持其石墨烯的性质。

由此来看,这项研究似乎是非常成功的,尽管 Garcia Tunon Blanca 指出,“在增材制造和石墨烯技术方面仍然有许多挑战需要克服。离我们能够直接3D 打印出一台多材料、多部件、可实际使用的设备还有很长的路要走。”作为此次研发项目的一部分,科学家们正在为其石墨烯线材寻找特定的应用,比如柔性电子等。他们还联手Imperial Innovations 共同探索他们的3D 打印石墨烯技术的商业化路径。

据说他们的一些工业合作伙伴已经接近开发出相应的应用。一项正在进行中的计划是为机器人结构 3D 打印石墨烯“皮肤”。



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