供稿人:張曼玉 田小永 發(fā)布日期：2017-09-16
石墨烯具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，厚度為一個(gè)碳原子，是富勒烯、碳納米管、石墨等碳的同素異構(gòu)體的基本組成單元。由于石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其具有特殊的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能。如圖1為石墨烯結(jié)構(gòu)
圖1石墨烯結(jié)構(gòu)
圖2導(dǎo)電石墨烯3D打印絲材
石墨烯本身的優(yōu)勢(shì)就是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好。而石墨烯3D打印目前主流采用的是擠出式3D打?。╡xtrusion-based 3D printing）技術(shù)，其核心與關(guān)鍵也正是打印過(guò)程中所用的絲材，這需要先獲取石墨烯及其衍生物，分散于合適的高粘度高分子材料或其他溶劑中形成絲材并3D打印成所需三維結(jié)構(gòu)，待打印結(jié)束后，通過(guò)后處理方式提高石墨烯的還原程度及純度[1]。石墨烯3D打印絲材如圖2所示。
美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Marcus A. Worsley團(tuán)隊(duì)也利用3D打印技術(shù)獲得石墨烯微晶格氣凝膠（圖3）[2]。該打印的漿料是將氧化石墨烯超聲分散于水中，再混入增強(qiáng)劑獲得，3D打印結(jié)束后在氮?dú)庵?050℃ 高溫退火處理對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行熱還原，并利用化學(xué)溶劑刻蝕掉二氧化硅等物質(zhì)以獲得純石墨烯微晶格氣凝膠，該結(jié)構(gòu)與普通塊體石墨烯的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明，3D打印的石墨烯更具優(yōu)勢(shì)，楊氏模量值高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖3石墨烯微晶格氣凝膠
圖4 3D打印石墨烯基電池
石墨烯材料的一個(gè)典型的例子就是電化學(xué)儲(chǔ)能器件（主要包括電池和超級(jí)電容器），目前三明治結(jié)構(gòu)和平面型結(jié)構(gòu)是兩個(gè)主流構(gòu)型，Graphene 3D Lab公司就推出的3D打印石墨烯材料組裝了三明治結(jié)構(gòu)電池（圖4），石墨烯起著很重要的電化學(xué)及機(jī)械性能增強(qiáng)作用。
石墨烯材料在生物醫(yī)學(xué)方面也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。美國(guó)西北大學(xué)Ramille N. Shah和Mark C. Hersam研究組利用擠出式3D打印技術(shù)打印出石墨烯與一種可降解聚酯（PLG）形成的復(fù)合材料[3]。打印出來(lái)的三維結(jié)構(gòu)被證實(shí)可以較穩(wěn)定的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面，研究團(tuán)隊(duì)往打印的石墨烯基支架上注入了干細(xì)胞，最終的結(jié)果相當(dāng)出色。首先，細(xì)胞存活了下來(lái)，然后繼續(xù)分裂、增殖并轉(zhuǎn)化成類(lèi)似神經(jīng)元的細(xì)胞。