目前，市面上的3D打印材料以塑料、金屬、陶瓷和生物材料為主。石墨烯（Graphene），作為一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀二維材料，被認(rèn)為是“神奇的材料”。它在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用又有那些呢？

　　石墨烯（a）vs.石墨（b）

　　說起石墨烯3D打印技術(shù)，不得不提的是2013年成立的Graphene3DLab公司，短短幾年該公司就已開發(fā)出導(dǎo)電石墨烯3D打印線材及相關(guān)產(chǎn)品，順利上市并收購其母公司GrapheneLaboratories在外發(fā)行的所有股份。該公司的成功，顯示出了石墨烯3D打印領(lǐng)域的市場前景。

　　Graphene3DLab公司開發(fā)的導(dǎo)電石墨烯3D打印線材及相關(guān)產(chǎn)品

　　石墨烯本身的優(yōu)勢就是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好。而石墨烯3D打印目前主流采用的是擠出式3D打印（extrusion-based3Dprinting）技術(shù)，其核心與關(guān)鍵正是打印過程中所用的漿料（或線材），這需要先將石墨烯及其衍生物（氧化石墨烯等）分散于合適的高粘度高分子材料或其他溶劑中形成漿料再3D打印成所需三維結(jié)構(gòu)，待打印結(jié)束后，通過后處理方式（如退火等）提高石墨烯的還原程度及純度。值得注意的是，上述3D打印過程獲取的往往是石墨烯基復(fù)合材料，而添加劑會較大程度的影響石墨烯的性能（如機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性等），因此漿料（或線材）的配制方案需要巧妙拿捏，這個(gè)配制及打印出來的結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域通常也有著不同的要求，下面針對幾個(gè)不同的應(yīng)用領(lǐng)域舉例說明。

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　　機(jī)械強(qiáng)度方面

　　（a）用于抗拉測試的3D打印的石墨烯結(jié)構(gòu)樣品；（b）3D打印的石墨烯微晶格氣凝膠

　　說到高強(qiáng)度，不得不提到前段時(shí)間比較熱門的麻省理工學(xué)院MarkusBuehler團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。該團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)仿真模型對石墨烯的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真制造，并在假設(shè)沒有缺陷的情況下對其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的極限拉伸強(qiáng)度（2.7GPa）比普通鋼鐵高10倍。此外，利用3D打印制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)（如圖3a所示）還進(jìn)一步體現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)及石墨烯材料的優(yōu)勢。雖然該打印的螺旋二十四面體（Gyroid）結(jié)構(gòu)的體積是實(shí)際體積的21個(gè)數(shù)量級之大，但在一定程度上仍印證了石墨烯在該領(lǐng)域的前景。

　　美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室MarcusA.Worsley團(tuán)隊(duì)也利用3D打印技術(shù)獲得了石墨烯微晶格氣凝膠（如圖3b所示）。該打印的漿料是將氧化石墨烯超聲分散于水中，再混入增強(qiáng)劑（如氣相二氧化硅等）獲得，3D打印結(jié)束后于氮?dú)庵懈邷兀?050℃）退火處理進(jìn)行熱還原，再利用化學(xué)溶劑刻蝕掉二氧化硅等物質(zhì)，從而獲得純石墨烯微晶格氣凝膠。將該結(jié)構(gòu)與普通塊體石墨烯的機(jī)械性能測試對比，結(jié)果表明3D打印的石墨烯更具優(yōu)勢，其楊氏模量值高出一個(gè)數(shù)量級。

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　　電化學(xué)儲能方面

　　其實(shí)除了高機(jī)械性能外，石墨烯材料已在很多功能器件里得到應(yīng)用，一個(gè)典型的例子就是電化學(xué)儲能器件，其主要包括電池和超級電容器，而三明治結(jié)構(gòu)和平面型結(jié)構(gòu)是目前的兩個(gè)主流構(gòu)型。Graphene3DLab公司就推出的3D打印石墨烯材料組裝了三明治結(jié)構(gòu)電池（圖4），但該公司沒有透露具體材料參數(shù)及打印細(xì)節(jié)，據(jù)推測該電池材料中除石墨烯外，還包括其他具有電化學(xué)活性的物質(zhì)，其中石墨烯起著很重要的電化學(xué)及機(jī)械性能增強(qiáng)作用。

　　Graphene3DLab展示的3D打印石墨烯基電池

　　在工業(yè)界以外，很多科研院所也注意到3D打印技術(shù)在電池領(lǐng)域的可行性。伊利諾伊大學(xué)香檳分校ShenJ.Dillon課題組聯(lián)合哈佛大學(xué)的JenniferA.Lewis課題組于2013年率先利用3D打印技術(shù)打印出微型鋰離子電池器件。隨后在2016年，馬里蘭大學(xué)的LiangbingHu課題組注意到了石墨烯在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢，他們通過引入氧化石墨烯制得石墨烯-活性無機(jī)材料（磷酸鐵鋰或鈦酸鋰）基復(fù)合漿料，然后采用高溫?zé)崽幚韺⒀趸┻M(jìn)行了還原得到微型電池，其具有良好的電化學(xué)性能，這主要得益于石墨烯較高的電導(dǎo)率和比表面積。由此可以看出，科研院所與工業(yè)領(lǐng)域的公司有著不同的關(guān)注點(diǎn)，科研人員更多著眼于未來，公司更多關(guān)注產(chǎn)品的性價(jià)比及規(guī)模化生產(chǎn)等，比如儲能機(jī)理等其它特性在科學(xué)方面的解釋和探索。

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　　生物醫(yī)學(xué)方面

　　由于其本身較好的機(jī)械性能與導(dǎo)電性，石墨烯材料在生物醫(yī)學(xué)方面也獨(dú)具優(yōu)勢。美國西北大學(xué)RamilleN.Shah和MarkC.Hersam研究組利用擠出式3D打印技術(shù)打印出石墨烯與一種可降解聚酯（PLG）形成的復(fù)合材料。由于其獨(dú)特的漿料配方，其中占據(jù)較大組分的石墨烯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)75%）使得打印出來的結(jié)構(gòu)具有較好的電導(dǎo)和機(jī)械性能，而PLG組分是一種具有生物相容性的材料，能夠保證結(jié)構(gòu)柔韌性和穩(wěn)定性。同時(shí)，其打印精度可達(dá)100微米以下（打印速度40毫米/秒）。打印出來的三維結(jié)構(gòu)還被證實(shí)可以較穩(wěn)定的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面。研究團(tuán)隊(duì)往打印的石墨烯基支架上注入干細(xì)胞，其存活了下來接著便繼續(xù)分裂、增殖，最后轉(zhuǎn)化成類似神經(jīng)元的細(xì)胞，其最終的結(jié)果相當(dāng)出色。

　　結(jié)語

　　由于篇幅受限，還有很多應(yīng)用領(lǐng)域在此不能一一列舉了。總而言之，雖然石墨烯3D打印技術(shù)目前只是處于起步的研究階段，而且由于相對于普通材料目前石墨烯及其衍生物材料的價(jià)格居高不下，很多3D打印的石墨烯結(jié)構(gòu)仍處在小尺寸范圍。相信未來通過相關(guān)工藝改進(jìn)或材料優(yōu)化可以讓消費(fèi)者看到實(shí)際的產(chǎn)品，相信一定很有市場！