浙大團隊開發出高密度高強度石墨烯微晶格液晶三維列印技術

溶劑化石墨烯基材料是石墨烯宏觀組裝體製備領域的一個重要課題。利用氧化石墨烯（GO）水系分散液的液晶行為和膠體性質，科學家們已發展出了一系列以GO為前驅體製備石墨烯纖維，膜，氣凝膠等宏觀組裝體的路線。然而，這些路線在適配3D列印技術時，出現了新的挑戰。3D列印技術對列印墨水有高粘度，高模量，快速剪切變稀等的嚴苛的流變要求，傳統的GO分散液難以達到。

目前，已報導的文獻中主要以添加劑法和高濃度法兩種策略來實現GO前驅體的流變行為的改性。然而，這兩種方法都未能解決，在3D列印石墨烯前驅體墨水中，高濃度和均相不相容的矛盾，另外，所得到的石墨烯材料局限於多孔結構，強度低，限制了3D列印石墨烯材料的實際應用。設計一種高濃度且均相的石墨烯前驅體墨水，用來製備高密度，高強度，高功能化的石墨烯3D列印材料是一個亟待解決的問題。

研究亮點：

· 設計了高濃度均相的GO/甘油（Glycerol）分散液作為3D列印墨水，探索了氧化石墨烯濃度對於分散液流變行為的影響。

· 利用墨水直寫技術，製備石墨烯微晶格材料。得到的石墨烯微晶格材料表現出高密度，高強度，高可壓縮性和高導電性的特質，具有良好的應用前景。

· 跟蹤了高密度石墨烯微晶格材料壓縮形變的微觀結構演化，闡明了多級結構對高可壓縮性的貢獻。

浙江大學高超、許震團隊，利用甘油分子對GO片溶劑化的作用，設計了GO/甘油3D列印墨水。該墨水具有較高的GO固含量（~6wt%），且保持了GO液晶相，實現了GO高濃度的均相分散。利用該墨水製備的石墨烯微晶格材料表現出了高強度（~62.7MPa），高抗壓性（~90% 壓縮形變），高導電性能（x-y平面內導電率2073 S m-1，z方向導電率~250 S m-1）的特性，開拓了新型三維石墨烯框架材料的範疇，為石墨烯材料在儲能，複合材料，催化等領域的應用打下了基礎。

圖1：對比GO/甘油3D列印墨水和重分散GO水系分散液墨水的偏振光顯微鏡照片a）、d），墨水中GO片的顯微照片b）、e）及GO片投影面積的統計結果c）、f）。對比GO/甘油墨水和重分散GO水系分散液在不同濃度（5wt%，6wt%）下的粘度g），動態模量h）和屈服剪切應力i）。圖2：a）不同結構的石墨烯微晶格樣品及圖案光學照片。3D列印柴垛結構石墨烯微晶格外表面b），內部截面c）及放大d)的電子顯微鏡照片。E）對比由GO/甘油墨水和重分散GO水分散液分別所得到的石墨烯框架材料的片層堆疊情況。圖3：3D列印石墨烯微晶格機械性能。a）應變幅度步進的加載循環下的應力應變曲線。b）本文中所製備的石墨烯微晶格壓縮性能及破壞強度與文獻中3D列印石墨烯材料的對比。c）石墨烯微晶格楊氏模量與密度的關係。