石墨烯再3D打印有哪些应用呢？

　　目前，市面上的3D打印材料以塑料、金属、陶瓷和生物材料为主。石墨烯（Graphene），作为一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维材料，被认为是“神奇的材料”。它在3D打印领域的应用又有那些呢？

　　石墨烯（a）vs.石墨（b）

　　说起石墨烯3D打印技术，不得不提的是2013年成立的Graphene3DLab公司，短短几年该公司就已开发出导电石墨烯3D打印线材及相关产品，顺利上市并收购其母公司GrapheneLaboratories在外发行的所有股份。该公司的成功，显示出了石墨烯3D打印领域的市场前景。

　　Graphene3DLab公司开发的导电石墨烯3D打印线材及相关产品

　　石墨烯本身的优势就是质量轻、强度高、导电性好。而石墨烯3D打印目前主流采用的是挤出式3D打印（extrusion-based3Dprinting）技术，其核心与关键正是打印过程中所用的浆料（或线材），这需要先将石墨烯及其衍生物（氧化石墨烯等）分散于合适的高粘度高分子材料或其他溶剂中形成浆料再3D打印成所需三维结构，待打印结束后，通过后处理方式（如退火等）提高石墨烯的还原程度及纯度。值得注意的是，上述3D打印过程获取的往往是石墨烯基复合材料，而添加剂会较大程度的影响石墨烯的性能（如机械强度、导电性等），因此浆料（或线材）的配制方案需要巧妙拿捏，这个配制及打印出来的结构在不同领域通常也有着不同的要求，下面针对几个不同的应用领域举例说明。

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　　机械强度方面

　　（a）用于抗拉测试的3D打印的石墨烯结构样品；（b）3D打印的石墨烯微晶格气凝胶

　　说到高强度，不得不提到前段时间比较热门的麻省理工学院MarkusBuehler团队的研究结果。该团队利用计算机仿真模型对石墨烯的三维结构进行仿真制造，并在假设没有缺陷的情况下对其强度进行了分析，结果显示该结构的极限拉伸强度（2.7GPa）比普通钢铁高10倍。此外，利用3D打印制备的石墨烯三维结构（如图3a所示）还进一步体现了三维结构及石墨烯材料的优势。虽然该打印的螺旋二十四面体（Gyroid）结构的体积是实际体积的21个数量级之大，但在一定程度上仍印证了石墨烯在该领域的前景。

　　美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室MarcusA.Worsley团队也利用3D打印技术获得了石墨烯微晶格气凝胶（如图3b所示）。该打印的浆料是将氧化石墨烯超声分散于水中，再混入增强剂（如气相二氧化硅等）获得，3D打印结束后于氮气中高温（1050℃）退火处理进行热还原，再利用化学溶剂刻蚀掉二氧化硅等物质，从而获得纯石墨烯微晶格气凝胶。将该结构与普通块体石墨烯的机械性能测试对比，结果表明3D打印的石墨烯更具优势，其杨氏模量值高出一个数量级。

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　　电化学储能方面

　　其实除了高机械性能外，石墨烯材料已在很多功能器件里得到应用，一个典型的例子就是电化学储能器件，其主要包括电池和超级电容器，而三明治结构和平面型结构是目前的两个主流构型。Graphene3DLab公司就推出的3D打印石墨烯材料组装了三明治结构电池（图4），但该公司没有透露具体材料参数及打印细节，据推测该电池材料中除石墨烯外，还包括其他具有电化学活性的物质，其中石墨烯起着很重要的电化学及机械性能增强作用。

　　Graphene3DLab展示的3D打印石墨烯基电池

　　在工业界以外，很多科研院所也注意到3D打印技术在电池领域的可行性。伊利诺伊大学香槟分校ShenJ.Dillon课题组联合哈佛大学的JenniferA.Lewis课题组于2013年率先利用3D打印技术打印出微型锂离子电池器件。随后在2016年，马里兰大学的LiangbingHu课题组注意到了石墨烯在这一领域的优势，他们通过引入氧化石墨烯制得石墨烯-活性无机材料（磷酸铁锂或钛酸锂）基复合浆料，然后采用高温热处理将氧化石墨烯进行了还原得到微型电池，其具有良好的电化学性能，这主要得益于石墨烯较高的电导率和比表面积。由此可以看出，科研院所与工业领域的公司有着不同的关注点，科研人员更多着眼于未来，公司更多关注产品的性价比及规模化生产等，比如储能机理等其它特性在科学方面的解释和探索。

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　　生物医学方面

　　由于其本身较好的机械性能与导电性，石墨烯材料在生物医学方面也独具优势。美国西北大学RamilleN.Shah和MarkC.Hersam研究组利用挤出式3D打印技术打印出石墨烯与一种可降解聚酯（PLG）形成的复合材料。由于其独特的浆料配方，其中占据较大组分的石墨烯（质量分数达75%）使得打印出来的结构具有较好的电导和机械性能，而PLG组分是一种具有生物相容性的材料，能够保证结构柔韧性和稳定性。同时，其打印精度可达100微米以下（打印速度40毫米/秒）。打印出来的三维结构还被证实可以较稳定的应用于生物医学方面。研究团队往打印的石墨烯基支架上注入干细胞，其存活了下来接着便继续分裂、增殖，最后转化成类似神经元的细胞，其最终的结果相当出色。

　　结语

　　由于篇幅受限，还有很多应用领域在此不能一一列举了。总而言之，虽然石墨烯3D打印技术目前只是处于起步的研究阶段，而且由于相对于普通材料目前石墨烯及其衍生物材料的价格居高不下，很多3D打印的石墨烯结构仍处在小尺寸范围。相信未来通过相关工艺改进或材料优化可以让消费者看到实际的产品，相信一定很有市场！