北航罗斯达Adv. Sci.：多功能、多自由形态激光诱导石墨烯选区增材制造技术

颗粒在线讯：3D打印具备无模具、快速设计、自由成型的独特优势，成为几乎所有行业集产品设计、验证、性能升级为一体的强大制造手段。而随着人工智能与万物互联等尖端技术的引入，3D打印的发展趋势也逐渐朝结构的功能化与智能化方向发展。石墨烯具备极其优异的物理特性与多功能属性，成为与3D打印融合的关键材料技术，可匹配新一代柔性电子、可穿戴设备、仿生机器人、功能结构等先进器件/装备的多场景应用。然而，目前石墨烯结构的3D打印依托于传统液相组装与气相生长，面临加工过程繁琐、条件苛刻、成型尺寸与形状受限等诸多挑战。

最近，北京航空航天大学罗斯达教授创造性地提出激光诱导石墨烯选区增材制造（LIG-AM）来实现多自由形态石墨烯宏观结构的设计、加工与功能应用。如图1所示，在无需引入额外胶粘剂与催化剂的条件下，LIG-AM仅通过特种红外激光即可同步实现特定高分子粉末原料的连接与碳化。将该技术扩展到高分子粉床的层层选择性加工，即可实现宏观石墨烯结构的原位3D打印。同时，该技术可比拟SLS、SLM等金属增材制造的优势，可快速制备任意复杂形状的石墨烯结构。如图2展示了一系列可从毫米级扩展到分米级的等截面与变截面结构，以及复杂晶格类与零件类（齿轮、叶片等）结构。此外，LIG-AM的独特优势还在于可通过激光能量的调节来选择烧结区与碳化区，即通过数字化激光加工可进一步制备高分子/石墨烯混杂结构，例如石墨烯导电内通道、石墨烯表面图案化导电通路等。

图1. LIG-AM的（a）成型原理与（b）工艺流程

图2. LIG-AM制备各类（a）等截面、（b）变截面、（c）混杂及（d）复杂零件类结构

除加工优势之外，LIG-AM通过激光能量的进一步细微调控可优化石墨烯打印结构的多物理/功能特性，包括密度（<50 mg/cm3）、比表面积（>400 m2/g）、抗拉强度（>7 MPa）、断裂伸长率（>200%）、电导率（>45 S/m）、压阻灵敏度（>90）、焦耳热温度（>200 ℃）等。如图3所示，利用LIG-AM的加工优势与出色性能可制备各类功能器件以实现多场景应用，例如柔性传感器、加热器、超级电容器、有机物收集器、人工肌肉等。

图3. LIG-AM制备的各类器件及其多功能应用

综合利用LIG-AM独特的数字化选区加工优势以及多功能石墨烯原位成型技术，或可为未来装备的选区功能化同步增材制造带来可能性。图4通过LIG-AM一次性打印出一个含有多种石墨烯功能结构的智能飞机机翼模型。其中机翼主体结构通过较低激光能量仅烧结粉体原料，以达到高强度的目的（12.7 MPa）。机翼内嵌一个石墨烯蜂窝传感结构，可实时监测来自不同方向的载荷。机翼前缘整体为石墨烯，兼具超疏水及焦耳热特性，可实现主动防冰与被动加热除冰的效果。机翼表面亦为石墨烯薄层结构，可承受700-800 ℃的高温，并可吸收90%以上的电磁波。

图4. LIG-AM智能机翼模型的（a）概念、（b）实物展示及其关键（c）智能蜂窝、（d）智能前缘与（e）智能蒙皮石墨烯结构

综上，本研究创新地提出一种基于数字化激光加工的石墨烯增材制造技术（LIG-AM），实现了多自由形态宏观石墨烯的定制化制备，提供了智能材料与高强度材料选区结合的同步增材制造新思路，可为未来智能高端装备的选区功能化同步制造带来指导意义。

该项目研究获得国家自然科学基金（T2121003 & 61701015）、北京市自然科学基金（3202017）、北歌研究院（BGI202015）和中国博士后科学基金（2021M700324）的联合资助，谨此感谢。

来源：高分子科学前沿