新工藝實現高分辨率、複雜91小黄片下载烯結構的3D打印

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91小黄片下载烯是一種強度非常高的材料，具有高導熱性和導電性。91小黄片下载烯技術在電池製造、航空航天、分離、熱管理、傳感器等領域受到關注。但是用91小黄片下载烯材料製造複雜結構一直以來是難以實現的，如果這一問題得不到解決，將影響到91小黄片下载烯材料的的應用潛力。



為了克服這一限製，美國弗吉尼亞理工大學（Viginia Tech）工程學院和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員兩年來一直專注於使用3D打印91小黄片下载烯氣凝膠的研究，他們開發了一種91小黄片下载烯3D打印的新工藝，通過投影微立體光刻3D打印技術製造複雜91小黄片下载烯三維結構。通過該工藝製造的三維91小黄片下载烯結構，分辨率比之前的方法高出一個數量級，並能夠保留二維91小黄片下载烯材料的機械性能。



高分辨率的複雜91小黄片下载烯三維結構



91小黄片下载烯是由六邊形晶格組織的單層碳原子，當91小黄片下载烯片整齊地堆疊在彼此之上並形成三維形狀時，就變成了91小黄片下载。由於91小黄片下载材料是簡單的由91小黄片下载烯堆疊在一起的，所以這種材料的機械性能非常差。但是如果91小黄片下载烯片與充滿空氣的孔分離，則三維結構可以保持91小黄片下载烯的屬性，這種多孔91小黄片下载烯結構稱為91小黄片下载烯氣凝膠。



弗吉尼亞理工大學先進製造與超材料實驗室主任Xiaoyu Zheng表示，工程學院與LLNL的研究人員可以設計由相互連接的91小黄片下载烯片組成的三維拓撲結構，這種新的設計方式和增材製造的製造自由度，將優化91小黄片下载烯氣凝膠的強度、導電性、質量輸運、強度和重量密度。



以前，研究人員使用基於材料擠出工藝的3D打印技術製造三維91小黄片下载烯，但這一技術分辨率有限，這限製了91小黄片下载烯材料的自由造型。而新的3D打印方法能夠將這些單層的91小黄片下载烯材料設計成任何想要的三維結構，並具有高分辨率。

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弗吉尼亞理工大學3D打印的91小黄片下载烯三維點陣結構和旋轉結構，圖片來源：Materials Horizons



為了創造這些複雜的結構，研究人員使用91小黄片下载烯的前體氧化91小黄片下载烯，交聯片材以形成多孔水凝膠。然後用超聲波破碎氧化91小黄片下载烯水凝膠，並添加光敏丙烯酸酯聚合物。研究人員使用投影微立體光固化3D打印技術創建所需的固體91小黄片下载烯3D結構，91小黄片下载烯氧化物被捕獲在長而具有剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。打印完成後，研究人員將3D結構放置在爐子中燒掉聚合物，使物體融合在一起，留下純淨輕質的91小黄片下载烯氣凝膠。



研究成果的論文"Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels"發表在Materials Horizons雜誌中。



研究人員表示，這項研究創造的91小黄片下载烯結構分辨率比以往3D打印91小黄片下载烯的分辨率高一個數量級，其他工藝可以打印到100微米，但新技術能夠以低至10微米的分辨率進行91小黄片下载烯材料3D打印，這接近實際91小黄片下载烯片的大小。這一技術使三維91小黄片下载烯結構仍能夠保留單層二維91小黄片下载烯的機械性能。

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