北理工研發(fā)出石墨烯基復(fù)合材料，可作為3D打印原材料

南極熊時常會想，高精尖的材料與3D打印結(jié)合會迸出怎樣的火花？石墨烯作為當(dāng)今最火的新材料之一，它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果能夠3D打印那就太完美了。之前有一些公司推出了石墨烯與PLA的混合材料，可以使PLA的性能得到改善，并具備導(dǎo)電性。而如果能夠打印石墨烯漿料，或許會有更加意想不到的收獲。

眾所周知，科研人員已經(jīng)找到多種的方法將石墨烯基材料制成具有不同宏觀形態(tài)的材料，如石墨烯薄膜、石墨烯纖維、石墨烯納米、石墨烯氣凝膠、石墨烯高密度多孔宏觀體等，并努力開發(fā)其在各領(lǐng)域中的用途，但這些方法大都需要精心設(shè)計的復(fù)雜的制備工藝或苛刻的實驗條件，并且進(jìn)一步加工成型較為困難。因此，人們希望找到一種便于直接加工成型，同時合成簡便的石墨烯基材料。

圖1 GOP材料的宏觀、微觀形態(tài)及微觀結(jié)構(gòu)示意圖

北京理工大學(xué)曲良體老師的研究團(tuán)隊近日報道了一種以氧化石墨烯-聚苯胺（GO-PANI，GOP）為主要成分的石墨烯基復(fù)合材料。這種GOP材料呈油灰狀，具有極強的塑性和一定的流動性，可輕易加工成任意形狀，如通過模具擠壓可獲得精美的圖案，甚至可用家用面條機制成黑色的“面條”（圖2）。GOP材料的合成條件溫和，過程非常簡單：將氧化石墨烯水溶液與苯胺以一定比例混合，在常溫常壓下攪拌一段時間，倒掉多余的水即可得到GOP材料。

圖2 GOP材料的擠壓、注射成型示例

GOP材料的這種高度可加工性大大擴(kuò)展了其應(yīng)用形態(tài)。例如，GOP材料可以流經(jīng)細(xì)針頭得到較細(xì)的纖維，據(jù)南極熊了解可以適用于熔融層積型（FDM）3D打印技術(shù)。

同時，GOP材料也易于實現(xiàn)平面圖案化。調(diào)節(jié)其合成過程中氧化石墨烯與苯胺的用量比例，可以使得到的GOP材料具有合乎要求的流動性。適當(dāng)降低苯胺用量，可使GOP材料具有類似油墨的狀態(tài)，然后利用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，可在基底上得到GOP材料形成的圖案（圖3）。

另外，將GOP材料均勻涂布于基底上，采用無需掩模的激光直寫技術(shù)，也可有效地實現(xiàn)GOP材料的圖案化（圖4）。這種易于圖案化的性質(zhì)使GOP材料有望應(yīng)用于電子器件，而由于基底選擇的多樣性，GOP材料也能用于制作包括柔性器件在內(nèi)的新型電子器件。文中，研究者用氫碘酸將GOP中的氧化石墨烯還原為石墨烯（rGO），產(chǎn)物導(dǎo)電性良好，電導(dǎo)率達(dá)182 S·cm-1。事先在薄膜上制成的GOP指狀交叉圖形（圖3），在還原后具有超級電容器的性能。測試結(jié)果表明，在8.4mA·cm-2的電流密度下，這一平面器件的比電容為41.6mF·cm-2。

圖3絲網(wǎng)印刷技術(shù)用于GOP材料的圖案化

圖4激光直寫技術(shù)用于GOP材料的圖案化

為實現(xiàn)GOP材料的進(jìn)一步功能化，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，研究者嘗試了在GOP材料中加入磁性Fe3O4納米顆粒，可以使其在磁場作用下沿一定軌道運動�？梢奊OP材料還能與其他材料進(jìn)一步復(fù)合，從而具有更多有趣而有用的性能。由于合成簡便，加工工藝成熟，功能可擴(kuò)展性良好，GOP材料這一石墨烯基材料在未來石墨烯的應(yīng)用市場中或可占據(jù)一席之地。

相關(guān)研究成果在線發(fā)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.）

來源：烯碳資訊