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西工大官操團隊《Small》:3D打印石墨烯基超材料的最新發展和應用

更新時間:2023-02-24點擊次數:1006

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通過合理設計重復結構單元,超材料可以來實現天然或者化學合成材料所不具備的獨。特物理特性(機械、電磁、聲學等),吸引了研究人員的廣泛關注。雖然*的3D打印技術可以實現超材料復雜結構的快速精確制備,實現其特殊的物理特性,但是傳統的3D打印材料主要是聚合物,陶瓷等,這大大限制了超材料的應用前景。而石墨烯由于其優異的理化性質,可以作為超材料的組分材料,賦予超材料多功能性和廣闊的應用前景。最近,西北工業大學的官操課題組等人在國際期刊《Small》雜志上發表題為“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain"的綜述文章。從超材料的結構設計、3D打印石墨烯的策略以及應用等方面,回顧了3D打印石墨烯基超材料的最新進展。最后,展望了3D打印石墨烯超材料的發展機遇與挑戰。



文章要點:

1.綜述了3D打印石墨烯基超材料的最近進展。

2.介紹了不同類型超材料的結構設計,包括機械超材料,電磁超材料(人造和仿生),聲學超材料(主動和被動),主要關注點是結構設計對不同物理性能的影響,而不考慮組成材料的因素。

3.介紹了3D打印技術制備石墨烯基材料的方法,主要是墨水直寫技術,熔融沉積成型技術,光聚合技術。墨水直接技術制備3D石墨烯材料主要策略是(1)提高石墨烯的濃度,(2)添加劑調節流變性能,(3)石墨烯片間交聯(物理、化學),(4)間接法。熔融沉積成型技術主要是在石墨烯添加各種熱塑性材料(聚乳酸,共聚物ABS,聚碳酸酯等),使其在高溫下熔融流動。光聚合技術制備3D石墨烯材料主要策略是(1)石墨烯填料法,(2)熱解法,(3)模板輔助法。

4.介紹了3D打印石墨烯基超材料在電化學儲能器件(電池和超電容),響應器件,電磁波吸收器等方面的應用進展。

5.盡管已經實現制備3D打印石墨烯超材料并將其應用起來,但是仍有許多關鍵問題亟待解決。未來3D打印石墨烯基超材料的發展方向可以概括為以下幾個方面:(1)高效結構的設計,提高其物理性能,比如復合結構,梯度結構;(2)開發高精度高性能的3D打印石墨烯技術;(3)拓展3D打印石墨烯超材料的應用潛力。
 
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圖1 3D打印石墨烯基超材料的概要示意圖

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圖2 電磁超材料的人工結構設計
 
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圖3 聲學超材料的結構設計

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 圖4 光聚合技術制備3D打印石墨烯基材料

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 圖5 3D打印石墨烯超材料用于壓力響應裝置

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 圖6 3D打印石墨烯基超材料的機遇與挑戰





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