苏州大学江、马里兰大学：3D打印仿生石墨烯材料，更轻、更强！

来源：高分子科学前沿

有多尺度多孔结构的生物材料（例如，偃麦草茎的宏观中空结构和微观蜂窝结构）在很低的密度下展现出优良的机械性能，为设计和制造轻质、高机械性能的先进仿生材料提供了极佳的参考，成为材料科学领域的研究热点。然而多数仿生材料局限于在单一尺度上进行仿生结构设计，限制了材料机械性能的提升。三维石墨烯材料的独特性能使其在能量存储和转换、电子器件以及环境工程领域具有广泛应用前景。但机械性能的不足和三维复杂结构的制备困难等关键问题限制了三维石墨烯材料的实际应用潜力。多尺度有限元分析表明，构建多级仿生结构在实现三维石墨烯材料机械性能的最大化方面极具潜力，但同时其制备方法也存在很大的挑战。

该文章报道了采用3D打印技术制造具有极高弹性和刚度的超轻仿生石墨烯材料（BHGM）。作者结合多尺度有限元分析，综合采用3D打印宏观多孔结构、冰晶模版诱导微观多孔蜂窝结构，设计并构建了多尺度仿生多孔结构。宏观中空结构和微观多孔蜂窝结构赋予BHGM极低的密度，和在高达95％的压缩应变下的超高弹性和稳定性。多尺度有限元分析表明，BHGM仿生多级结构中的宏观和微观多孔结构可有效地吸收和分散应变，有效降低材料结构在大应变下的破损，极大提升材料的强度和抗压弹性。此外，这种基于墨水的3D打印策略具有多种优势：
（i）打印过程灵活可控，适用于快速和大规模制造;
（ii）可同时构建从微观尺度到宏观尺度的多尺度仿生多孔结构;
（iii）易于通过调整打印程序控制宏观几何形状和尺寸。将这种多尺度多孔仿生结构的设计理念和3D打印策略扩展至构建其他二维功能材料的三维仿生结构，在需要高刚度、超弹性和低密度的应用中具有巨大潜力。

图文导读：

图1：堰麦草和3D打印仿生多级石墨烯材料。

图2：在3D打印的多级石墨烯结构中，宏观尺度到微观尺度的变形和压缩应变的多尺度有限元分析。

图3：3D打印多级石墨烯材料和仿生多级石墨烯材料的结构和压缩性能的对比。

图4：3D打印的仿生多级石墨烯材料作为纳米发电机中的可压缩电极。

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902930