【前沿】北理工研发出可用于3D打印的石墨烯基复合材料

众所周知，科研人员已经找到多种的方法将石墨烯基材料制成具有不同宏观形态的材料，如石墨烯薄膜、石墨烯纤维、石墨烯纳米、石墨烯气凝胶、石墨烯高密度多孔宏观体等，并努力开发其在各领域中的用途，但这些方法大都需要精心设计的复杂的制备工艺或苛刻的实验条件，并且进一步加工成型较为困难。因此，人们希望找到一种便于直接加工成型，同时合成简便的石墨烯基材料。

图1 GOP材料的宏观、微观形态及微观结构示意图

北京理工大学曲良体老师的研究团队近日报道了一种以氧化石墨烯-聚苯胺（GO-PANI，GOP）为主要成分的石墨烯基复合材料。这种GOP材料呈油灰状，具有极强的塑性和一定的流动性，可轻易加工成任意形状，如通过模具挤压可获得精美的图案，甚至可用家用面条机制成黑色的“面条”（图2）。GOP材料的合成条件温和，过程非常简单：将氧化石墨烯水溶液与苯胺以一定比例混合，在常温常压下搅拌一段时间，倒掉多余的水即可得到GOP材料。

图2 GOP材料的挤压、注射成型示例

GOP材料的这种高度可加工性大大扩展了其应用形态。例如，GOP材料可以流经细针头得到较细的纤维，因此适用于熔融层积型（FDM）3D打印技术。

同时，GOP材料也易于实现平面图案化。调节其合成过程中氧化石墨烯与苯胺的用量比例，可以使得到的GOP材料具有合乎要求的流动性。适当降低苯胺用量，可使GOP材料具有类似油墨的状态，然后利用传统的丝网印刷技术，可在基底上得到GOP材料形成的图案（图3）。

另外，将GOP材料均匀涂布于基底上，采用无需掩模的激光直写技术，也可有效地实现GOP材料的图案化（图4）。这种易于图案化的性质使GOP材料有望应用于电子器件，而由于基底选择的多样性，GOP材料也能用于制作包括柔性器件在内的新型电子器件。文中，研究者用氢碘酸将GOP中的氧化石墨烯还原为石墨烯（rGO），产物导电性良好，电导率达182 S·cm-1。事先在薄膜上制成的GOP指状交叉图形（图3），在还原后具有超级电容器的性能。测试结果表明，在8.4mA·cm-2的电流密度下，这一平面器件的比电容为41.6mF·cm-2。

图3丝网印刷技术用于GOP材料的图案化

图4激光直写技术用于GOP材料的图案化

为实现GOP材料的进一步功能化，扩展其应用范围，研究者尝试了在GOP材料中加入磁性Fe3O4纳米颗粒，可以使其在磁场作用下沿一定轨道运动。可见GOP材料还能与其他材料进一步复合，从而具有更多有趣而有用的性能。由于合成简便，加工工艺成熟，功能可扩展性良好，GOP材料这一石墨烯基材料在未来石墨烯的应用市场中或可占据一席之地。

相关研究成果在线发表于知名期刊Advanced Materials上。（Y.Jiang, H. Shao, L. Qu*, et al. Versatile Graphene Oxide Putty-Like Material. Advanced Materials. DOI:10.1002/adma.201603284.）

分析

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。曲教授的这一研究成果——GOP材料，合成简便，加工工艺成熟，功能可扩展性良好在未来石墨烯的应用市场中或可占据一席之地。

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