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一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略

更新时间:2023-02-24      点击次数:594

中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。应用3D打印定制的针对不同氧化石墨烯墨水的狭缝挤出头,并在墨水中加入叔丁醇,抑制冰晶生长,最后应用定制挤出头3D打印制备得到层状石墨烯气凝胶,实现相比同类材料更高的电导率和电磁屏蔽性能,以及高灵敏压阻传感性能。


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图1 3D打印层状石墨烯气凝胶及其电磁屏蔽和压力传感特性

 

二维材料气凝胶因其在电磁屏蔽、传感器、柔性器件、超级电容器及油污吸附等方面的应用吸引了人们广泛的研究兴趣。由于二维材料本身的各向异性特性,相比各向同性结构,层状二维材料气凝胶在特定方向展示出优异的机械、电子、热性能。然而,目前制备层状结构二维材料气凝胶的方法较少,比较常用的是定向冷冻方法,但该制备方法在尺寸和形状上尚缺乏自由度,在性能上也仍有提升的空间。同时由于,二维材料分散液具有剪切变稀的特性,在剪切力的作用下,可以实现液晶形态的取向分布,如果能充分利用这一特性,将有望通过挤出装置实现取向结构二维材料气凝胶的制备,从而提升样品制备的自由度,并进一步提升材料性能。


中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人针对这一问题,提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。为充分利用氧化石墨烯墨水的剪切变稀特性,研究团队根据不用配方墨水的剪切变稀特性定制设计并应用摩方精密nanoArch S140高精度光固化3D打印机制备了可使对应氧化石墨烯墨水实现长程有序液晶形态的狭缝挤出头,狭缝尺寸50 μm,应用该挤出头在冷冻衬底上逐层3D打印相对应墨水。由于氧化石墨烯水基墨水中的水在冷冻衬底上结晶生成大尺寸冰晶,这将破坏狭缝挤出氧化石墨烯的液晶形态,为解决这一问题,团队通过调节叔丁醇在墨水中的含量,减小了冷冻衬底上冰晶生长的尺寸,从而降低了冷冻过程对于取向结构的破坏,最终通过冷冻干燥和化学还原实现了层状结构石墨烯气凝胶的制备。


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图2 根据墨水的流变性能设计并打印挤出头

 

研究显示,通过3D打印新策略制备的石墨烯气凝胶的层状结构清晰。得益于该层状结构,本研究3D打印的石墨烯气凝胶展示出比同类石墨烯气凝胶更高的电导率(705.6 S m−1)、更高的电磁屏蔽性能(3 mm样品在X波段可实现最高电磁屏蔽能效68.75 dB),并可实现高灵敏的压阻传感性能(清晰的语音和脉搏信号传感分辨能力)。


图片图3 通过墨水配方调控获得良好层状结构的石墨烯气凝胶


图片图4 3D打印层状石墨烯气凝胶的电导率和电磁屏蔽性能


图片图5 3D打印层状石墨烯气凝胶的力学和传感性能


    研究者相信,此项研究将为具有剪切变稀性能的材料制备层状取向结构材料提供一条新的路径,为纳米材料通过3D打印有序可控组装并实现更高的性能提供一个新的思路。相关论文在线发表在《Advanced Materials Technologies》上。苏州纳米所郭浩为本文第一作者,钱波为本文通讯作者,苏州大学石学军为本文的软件模拟提供了支持。