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英国科学家开发FDM 3D打印石墨烯材料的新方法

发布日期:2015-03-06

OFweek3D打印网讯: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。

众所周知,石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,只有一个碳原子的厚度。它有很多有趣的特性:几乎完全透明、导电性强、可弯折、机械强度好(比钢强约一百倍)。从它2004年第一次被成功制造出来之后,就被科技界广泛看好,认为它是一种颠覆性的全新材料。

原子水平的石墨烯结构


    近日,来自伦敦帝国学院材料系的一个研究团队,由EstherGarciaTunonBlanca、SuelenBarg、VictoriaGarciaRocha和EduardoSaizGutierrez教授组成,并联合来自Warwick大学、Bath大学和deSantiagodeCompostela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FDM3D打印,已经发表在今年1月份出版的《AdvancedMaterials》杂志上,标题《为使用石墨烯进行三维度打印(PrintinginThreeDimensionswithGraphene)》。

    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EstherGarcía-Tu?onBlanca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。García-Tu?onBlanca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García-Tu?on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。

显微镜下的3D打印石墨烯。

    由此来看,这项研究似乎是非常成功的,尽管García-Tu?on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ImperialInnovations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”。

文章来源:OFweek 3D打印网





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