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3D打印石墨烯氣凝膠—世界上最輕的材料

 

近日,由三個材料工程師開發的3D打印石墨烯氣凝膠被吉尼斯世界紀錄評為“最密集的3D打印結構”。據說,3D打印石墨烯氣凝膠重量極輕,超彈性的,導電的,這意味著它可以用于提高電子的能力 物體和電池,而且每立方厘米僅重0.5毫克,放在棉花或花瓣頂都可以。

不同密度的石墨烯氣凝膠的3D打印格子。 右:證明材料的密度位于一根金屬的頂部。 堪薩斯州立大學多級先進制造實驗室的標志。

由于機械強度超過鋼,導電性和導熱性以及不尋常的磁性,全球石墨烯市場自2010年由Andre Geim和Konstantin Novoselov發現以來一直在蓬勃發展。其符合電子設備更好的電源需求,以及智能穿戴式和柔性LED屏幕等未來技術。 目前面對的挑戰是難以大規模生產,并保留其特性。

憑借靈活性將其作為制造方法,已經以多種方式使用3D打印來解鎖材料的潛力。

由得克薩斯萊斯大學的James M. Tour集團領導的研究使用激光3D打印方法從糖晶體中提取材料,并生成石墨烯泡沫。

石墨烯泡沫的3D打印立方體和其分子組成的SEM圖像。

在麻省理工學院,研究人員采用了數學方法對石墨烯的結構檢算,并提出了一個陀螺儀作為最佳的3D形狀。在哈爾濱工業大學也已經使用了石墨烯氧化物來制造出符合高強度混凝土性能的結構。

由石墨烯氧化物/地質聚合物油墨制成的3D打印測試結構。

堪薩斯州立大學,布法羅州立大學和蘭州大學三位研究員合作開發出輕巧,破紀錄的石墨烯氣凝膠。他們使用的方法將噴墨3D打印深入凍結。

林,周,張研發的三維石墨烯氣凝膠重量只有0.5毫克每立方厘米。如支持媒體所示,這意味著諸如花瓣或棉球之類的脆弱物體可以支撐3D打印數量的材料而不會彎曲。

林董持有將打印在堪薩斯州野貓標志上的石墨烯氣凝膠3D樣品。 在他旁邊的屏幕上顯示了3D石墨烯氣凝膠Wildcat頭部放在向日葵的花瓣上。

使用專門開發的3D打印噴墨方法制造石墨烯氣凝膠的3D結構。 通過將氧化石墨烯(GO)粉末與脫油(DI)水混合來制備油墨。 這被裝入兩個注射器筒中,一次噴射墨滴。

墨水打印的床和室已被研究人員調整到低溫環境。 當油墨沉積時,DI水凍結,將石墨烯固化成3D形狀。

打印后,該結構進一步進行兩次冷凍處理以將顆粒粘結在一起。 在48小時的干燥過程和熱退火之后,最終的3D氣凝膠被覆蓋。

3D石墨烯氣凝膠的樣品出現了深層凍結。

3D石墨烯氣凝膠將使其成為“吉尼斯世界紀錄”2018年版。 林,周,張等合作人員的支持研究Feng Zhang,Sai Pradeep Medarametla和Hui Li可以在2016年2月發表的“小型雜志”上發表,第12卷,第13期。