中科院蘇州納米所錢波團(tuán)隊(duì)《AMT》：一種3D打印層狀石墨烯氣凝膠的新策略

來源：摩方PuSL高精密

中科院蘇州納米所錢波團(tuán)隊(duì)的郭浩等人提出一種3D打印層狀石墨烯氣凝膠的新策略。應(yīng)用3D打印定制的針對(duì)不同氧化石墨烯墨水的狹縫擠出頭，并在墨水中加入叔丁醇，抑制冰晶生長(zhǎng)，最后應(yīng)用定制擠出頭3D打印制備得到層狀石墨烯氣凝膠，實(shí)現(xiàn)相比同類材料更高的電導(dǎo)率和電磁屏蔽性能，以及高靈敏壓阻傳感性能。

圖1 3D打印層狀石墨烯氣凝膠及其電磁屏蔽和壓力傳感特性

二維材料氣凝膠因其在電磁屏蔽、傳感器、柔性器件、超級(jí)電容器及油污吸附等方面的應(yīng)用吸引了人們廣泛的研究興趣。由于二維材料本身的各向異性特性，相比各向同性結(jié)構(gòu)，層狀二維材料氣凝膠在特定方向展示出優(yōu)異的機(jī)械、電子、熱性能。然而，目前制備層狀結(jié)構(gòu)二維材料氣凝膠的方法較少，比較常用的是定向冷凍方法，但該制備方法在尺寸和形狀上尚缺乏自由度，在性能上也仍有提升的空間。同時(shí)由于，二維材料分散液具有剪切變稀的特性，在剪切力的作用下，可以實(shí)現(xiàn)液晶形態(tài)的取向分布，如果能充分利用這一特性，將有望通過擠出裝置實(shí)現(xiàn)取向結(jié)構(gòu)二維材料氣凝膠的制備，從而提升樣品制備的自由度，并進(jìn)一步提升材料性能。

中科院蘇州納米所錢波團(tuán)隊(duì)的郭浩等人針對(duì)這一問題，提出一種3D打印層狀石墨烯氣凝膠的新策略。為充分利用氧化石墨烯墨水的剪切變稀特性，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)不用配方墨水的剪切變稀特性定制設(shè)計(jì)并應(yīng)用摩方精密nanoArch S140高精度光固化3D打印機(jī)制備了可使對(duì)應(yīng)氧化石墨烯墨水實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程有序液晶形態(tài)的狹縫擠出頭，狹縫尺寸50 μm，應(yīng)用該擠出頭在冷凍襯底上逐層3D打印相對(duì)應(yīng)墨水。由于氧化石墨烯水基墨水中的水在冷凍襯底上結(jié)晶生成大尺寸冰晶，這將破壞狹縫擠出氧化石墨烯的液晶形態(tài)，為解決這一問題，團(tuán)隊(duì)通過調(diào)節(jié)叔丁醇在墨水中的含量，減小了冷凍襯底上冰晶生長(zhǎng)的尺寸，從而降低了冷凍過程對(duì)于取向結(jié)構(gòu)的破壞，最終通過冷凍干燥和化學(xué)還原實(shí)現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的制備。

圖2 根據(jù)墨水的流變性能設(shè)計(jì)并打印擠出頭

研究顯示，通過3D打印新策略制備的石墨烯氣凝膠的層狀結(jié)構(gòu)清晰。得益于該層狀結(jié)構(gòu)，本研究3D打印的石墨烯氣凝膠展示出比同類石墨烯氣凝膠更高的電導(dǎo)率（705.6 S m−1）、更高的電磁屏蔽性能（3 mm樣品在X波段可實(shí)現(xiàn)最高電磁屏蔽能效68.75 dB），并可實(shí)現(xiàn)高靈敏的壓阻傳感性能（清晰的語音和脈搏信號(hào)傳感分辨能力）。

圖3 通過墨水配方調(diào)控獲得良好層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠

圖4 3D打印層狀石墨烯氣凝膠的電導(dǎo)率和電磁屏蔽性能

圖5 3D打印層狀石墨烯氣凝膠的力學(xué)和傳感性能

研究者相信，此項(xiàng)研究將為具有剪切變稀性能的材料制備層狀取向結(jié)構(gòu)材料提供一條新的路徑，為納米材料通過3D打印有序可控組裝并實(shí)現(xiàn)更高的性能提供一個(gè)新的思路。相關(guān)論文在線發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上。蘇州納米所郭浩為本文第一作者，錢波為本文通訊作者，蘇州大學(xué)石學(xué)軍為本文的軟件模擬提供了支持。


論文信息：
A New Strategy of 3D Printing Lightweight Lamellar Graphene Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensor Applications
Hao Guo, Tianxiang Hua, Jing Qin, Qixin Wu, Rui Wang, Bo Qian, Lingying Li, Xuejun Shi
Advanced Materials Technologies
DOI: 10.1002/admt.202101699

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/admt.202101699