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我校研究人员实现3D打印世界最轻材料

2016-03-14 09:46:16 来源: 于心 [收藏文章] [关闭窗口]

  

哈工大报讯(商艳凯/文)如今,提到3D打印技术,大家并不会陌生。如果要问你,利用3D打印技术能够制造的世界上最轻的材料是多重?很多人可能就只能摇头了。我校研究人员用数据告诉你,利用3D打印技术制备出具有复杂微观结构的超轻石墨烯气凝胶,其密度可以低至每立方米0.5千克,大致相当于常规环境中空气密度(约每立方米1.2千克)的不到二分之一。

这一研究成果发表在最新一期的微纳米材料领域著名期刊《Small》上,由我校土木学院李惠教授课题组成员、2012级博士生张强强和来自纽约州立大学布法罗分校周驰博士、堪萨斯州立大学林栋博士等人共同完成。我校为第一署名单位。

近年来,3D打印行业发展迅速,其中一个比较引人注目的领域就是石墨烯材料在3D打印中的应用。石墨烯是已知世界上最薄的材料,其强度超过结构钢约200倍,导热性远超其它所有材料。专家指出,如果能够使用石墨烯做3D打印材料,3D打印机将能够制造具有高强度、重量轻以及柔韧性、导电性俱佳的零部件或产品。而气凝胶是一种具有海绵状结构的低密度材料。它可以用于很多重要的用途,比如作为热和光的绝缘体等。

传统上,要打印石墨烯气凝胶结构,研究人员倾向于先将石墨烯与聚合物或者硅混合在一起,然后使用喷墨打印机在室温或者高温下挤出这些石墨烯混合物。随后,通过燃烧或者化学过程来去除聚合物或硅,但是这样可能会损坏气凝胶的结构。另外这种层叠式的打印技术很难制造出像悬浮物那样的复杂结构。

张强强等研究人员经过反复试验,在国际上首次实现了具有悬空复杂拓扑纯三维石墨烯结构可剪裁设计。通俗的说,就是利用石墨烯氧化物与水的混合物作为墨水,通过依需滴落的方式,在零下25摄氏度的温度下将其3D打印到一个表面上。这样每打印出来的一层都会被冰冻住,然后在冰的支持下再打印下一层,从而构建由冰作为悬空空间支架的三维气凝胶结构。最后,将产生的气凝胶置于液氮中进行冷冻干燥以去除水分,然后加热使其成为固体气凝胶。根据这种技术,研究者们能够制备出密度范围在每立方米0.510千克的气凝胶,且具有良好的导电性和高压缩性。

研究人员称,通过这一方法制备出的石墨烯材料,将在多功能材料、柔性电子器件、储能单元、传感器件、生物化学催化载体、超级电容器等领域具有广阔的应用前景。

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