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?。╡xtrusion-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（如機械強度、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，下面針對幾個不同的應(yīng)用領(lǐng)域舉例說明。

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　　機械強度方面

　?。╝）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

　　說到高強度，不得不提到前段時間比較熱門的麻省理工學院MarkusBuehler團隊的研究結(jié)果。該團隊利用計算機仿真模型對石墨烯的三維結(jié)構(gòu)進行仿真制造，并在假設(shè)沒有缺陷的情況下對其強度進行了分析，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的極限拉伸強度（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)的體積是實際體積的21個數(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·利弗莫爾國家實驗室MarcusA.Worsley團隊也利用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，再混入增強劑（如氣相二氧化硅等）獲得，3D打印結(jié)束后于氮氣中高溫（1050℃）退火處理進行熱還原，再利用化學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數(shù)量級。

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　　電化學儲能方面

　　其實除了高機械性能外，石墨烯材料已在很多功能器件里得到應(yīng)用，一個典型的例子就是電化學儲能器件，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活性的物質(zhì)，其中石墨烯起著很重要的電化學及機械性能增強作用。

　　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。伊利諾伊大學香檳分校ShenJ.Dillon課題組聯(lián)合哈佛大學的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-活性無機材料（磷酸鐵鋰或鈦酸鋰）基復(fù)合漿料，然后采用高溫熱處理將氧化石墨烯進行了還原得到微型電池，其具有良好的電化學性能，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，科研人員更多著眼于未來，公司更多關(guān)注產(chǎn)品的性價比及規(guī)?；a(chǎn)等，比如儲能機理等其它特性在科學方面的解釋和探索。

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　　生物醫(yī)學方面

　　由于其本身較好的機械性能與導(dǎo)電性，石墨烯材料在生物醫(yī)學方面也獨具優(yōu)勢。美國西北大學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。由于其獨特的漿料配方，其中占據(jù)較大組分的石墨烯（質(zhì)量分數(shù)達75%）使得打印出來的結(jié)構(gòu)具有較好的電導(dǎo)和機械性能，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，其打印精度可達100微米以下（打印速度40毫米/秒）。打印出來的三維結(jié)構(gòu)還被證實可以較穩(wěn)定的應(yīng)用于生物醫(yī)學方面。研究團隊往打印的石墨烯基支架上注入干細胞，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)元的細胞，其最終的結(jié)果相當出色。

　　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?？偠灾?，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)工藝改進或材料優(yōu)化可以讓消費者看到實際的產(chǎn)品，相信一定很有市場！