石墨烯在3D打印领域能起到什么作用？

    现在，市面上的3D打印资料以塑料、金属、陶瓷和生物资料为主。石墨烯（Graphene），作为一种由碳原子以sp2杂化方法构成的蜂窝状二维资料，被认为是“神奇的资料”。它在3D打印范畴的使用又有那些呢？

石墨烯（a）vs. 石墨（b）

    说起石墨烯3D打印技能，不得不提的是2013年建立的Graphene 3D Lab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，顺利上市并收买其母公司Graphene Laboratories在外发行的所有股份。该公司的成功，显示出了石墨烯3D打印范畴的市场远景。

    Graphene 3D Lab公司开发的导电石墨烯3D打印线材及相关产品

    石墨烯自身的优势便是质量轻、强度高、导电性好。而石墨烯3D打印现在主流采用的是挤出式3D打印（extrusion-based 3D printing）技能，其核心与要害正是打印过程中所用的浆料（或线材），这需求先将石墨烯及其衍生物（氧化石墨烯等）涣散于合适的高粘度高分子资料或其他溶剂中构成浆料再3D打印成所需三维结构，待打印结束后，通过后处理方法（如退火等）进步石墨烯的复原程度及纯度。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资料，而添加剂会较大程度的影响石墨烯的功能（如机械强度、导电性等），因此浆料（或线材）的配制计划需求奇妙拿捏，这个配制及打印出来的结构在不同范畴通常也有着不同的要求，下面针对几个不同的使用范畴举例说明。

    机械强度方面

（a）用于抗拉测验的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

    提到高强度，不得不提到前段时间比较热门的麻省理工学院Markus Buehler团队的研究成果。该团队使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，成果显示该结构的极限拉伸强度（2.7GPa）比一般钢铁高10倍。此外，使用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资料的优势。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，但在必定程度上仍印证了石墨烯在该范畴的远景。

    美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Marcus A. Worsley团队也使用3D打印技能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涣散于水中，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℃）退火处理进行热复原，再使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。将该结构与一般块体石墨烯的机械功能测验比照，成果表明3D打印的石墨烯更具优势，其杨氏模量值高出一个数量级。