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西工大官操团队《Small》:3D打印石墨烯基超材料的最新发展和应用

更新时间:2023-02-24      点击次数:369

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通过合理设计重复结构单元,超材料可以来实现天然或者化学合成材料所不具备的独。特物理特性(机械、电磁、声学等),吸引了研究人员的广泛关注。虽然*的3D打印技术可以实现超材料复杂结构的快速精确制备,实现其特殊的物理特性,但是传统的3D打印材料主要是聚合物,陶瓷等,这大大限制了超材料的应用前景。而石墨烯由于其优异的理化性质,可以作为超材料的组分材料,赋予超材料多功能性和广阔的应用前景。最近,西北工业大学的官操课题组等人在国际期刊《Small》杂志上发表题为“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain"的综述文章。从超材料的结构设计、3D打印石墨烯的策略以及应用等方面,回顾了3D打印石墨烯基超材料的最新进展。最后,展望了3D打印石墨烯超材料的发展机遇与挑战。



文章要点:

1.综述了3D打印石墨烯基超材料的最近进展。

2.介绍了不同类型超材料的结构设计,包括机械超材料,电磁超材料(人造和仿生),声学超材料(主动和被动),主要关注点是结构设计对不同物理性能的影响,而不考虑组成材料的因素。

3.介绍了3D打印技术制备石墨烯基材料的方法,主要是墨水直写技术,熔融沉积成型技术,光聚合技术。墨水直接技术制备3D石墨烯材料主要策略是(1)提高石墨烯的浓度,(2)添加剂调节流变性能,(3)石墨烯片间交联(物理、化学),(4)间接法。熔融沉积成型技术主要是在石墨烯添加各种热塑性材料(聚乳酸,共聚物ABS,聚碳酸酯等),使其在高温下熔融流动。光聚合技术制备3D石墨烯材料主要策略是(1)石墨烯填料法,(2)热解法,(3)模板辅助法。

4.介绍了3D打印石墨烯基超材料在电化学储能器件(电池和超电容),响应器件,电磁波吸收器等方面的应用进展。

5.尽管已经实现制备3D打印石墨烯超材料并将其应用起来,但是仍有许多关键问题亟待解决。未来3D打印石墨烯基超材料的发展方向可以概括为以下几个方面:(1)高效结构的设计,提高其物理性能,比如复合结构,梯度结构;(2)开发高精度高性能的3D打印石墨烯技术;(3)拓展3D打印石墨烯超材料的应用潜力。
 
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图1 3D打印石墨烯基超材料的概要示意图

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图2 电磁超材料的人工结构设计
 
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图3 声学超材料的结构设计

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 图4 光聚合技术制备3D打印石墨烯基材料

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 图5 3D打印石墨烯超材料用于压力响应装置

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 图6 3D打印石墨烯基超材料的机遇与挑战