通過合理設(shè)計(jì)重復(fù)結(jié)構(gòu)單元,超材料可以來實(shí)現(xiàn)天然或者化學(xué)合成材料所不具備的獨(dú)。特物理特性(機(jī)械、電磁、聲學(xué)等),吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。雖然*的3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速精確制備,實(shí)現(xiàn)其特殊的物理特性,但是傳統(tǒng)的3D打印材料主要是聚合物,陶瓷等,這大大限制了超材料的應(yīng)用前景。而石墨烯由于其優(yōu)異的理化性質(zhì),可以作為超材料的組分材料,賦予超材料多功能性和廣闊的應(yīng)用前景。最近,西北工業(yè)大學(xué)的官操課題組等人在國(guó)際期刊《Small》雜志上發(fā)表題為“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain"的綜述文章。從超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D打印石墨烯的策略以及應(yīng)用等方面,回顧了3D打印石墨烯基超材料的最新進(jìn)展。最后,展望了3D打印石墨烯超材料的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
1.綜述了3D打印石墨烯基超材料的最近進(jìn)展。2.介紹了不同類型超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括機(jī)械超材料,電磁超材料(人造和仿生),聲學(xué)超材料(主動(dòng)和被動(dòng)),主要關(guān)注點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)不同物理性能的影響,而不考慮組成材料的因素。3.介紹了3D打印技術(shù)制備石墨烯基材料的方法,主要是墨水直寫技術(shù),熔融沉積成型技術(shù),光聚合技術(shù)。墨水直接技術(shù)制備3D石墨烯材料主要策略是(1)提高石墨烯的濃度,(2)添加劑調(diào)節(jié)流變性能,(3)石墨烯片間交聯(lián)(物理、化學(xué)),(4)間接法。熔融沉積成型技術(shù)主要是在石墨烯添加各種熱塑性材料(聚乳酸,共聚物ABS,聚碳酸酯等),使其在高溫下熔融流動(dòng)。光聚合技術(shù)制備3D石墨烯材料主要策略是(1)石墨烯填料法,(2)熱解法,(3)模板輔助法。4.介紹了3D打印石墨烯基超材料在電化學(xué)儲(chǔ)能器件(電池和超電容),響應(yīng)器件,電磁波吸收器等方面的應(yīng)用進(jìn)展。5.盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)制備3D打印石墨烯超材料并將其應(yīng)用起來,但是仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決。未來3D打印石墨烯基超材料的發(fā)展方向可以概括為以下幾個(gè)方面:(1)高效結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),提高其物理性能,比如復(fù)合結(jié)構(gòu),梯度結(jié)構(gòu);(2)開發(fā)高精度高性能的3D打印石墨烯技術(shù);(3)拓展3D打印石墨烯超材料的應(yīng)用潛力。圖2 電磁超材料的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3 聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖4 光聚合技術(shù)制備3D打印石墨烯基材料 圖5 3D打印石墨烯超材料用于壓力響應(yīng)裝置 圖6 3D打印石墨烯基超材料的機(jī)遇與挑戰(zhàn)