北理工研發(fā)出石墨烯基復合材料，可作為3D打印原材料

南極熊時常會想，高精尖的材料與3D打印結合會迸出怎樣的火花？石墨烯作為當今最火的新材料之一，它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果能夠3D打印那就太完美了。之前有一些公司推出了石墨烯與PLA的混合材料，可以使PLA的性能得到改善，并具備導電性。而如果能夠打印石墨烯漿料，或許會有更加意想不到的收獲。

眾所周知，科研人員已經找到多種的方法將石墨烯基材料制成具有不同宏觀形態(tài)的材料，如石墨烯薄膜、石墨烯纖維、石墨烯納米、石墨烯氣凝膠、石墨烯高密度多孔宏觀體等，并努力開發(fā)其在各領域中的用途，但這些方法大都需要精心設計的復雜的制備工藝或苛刻的實驗條件，并且進一步加工成型較為困難。因此，人們希望找到一種便于直接加工成型，同時合成簡便的石墨烯基材料。

圖1 GOP材料的宏觀、微觀形態(tài)及微觀結構示意圖

北京理工大學曲良體老師的研究團隊近日報道了一種以氧化石墨烯-聚苯胺（GO-PANI，GOP）為主要成分的石墨烯基復合材料。這種GOP材料呈油灰狀，具有極強的塑性和一定的流動性，可輕易加工成任意形狀，如通過模具擠壓可獲得精美的圖案，甚至可用家用面條機制成黑色的“面條”（圖2）。GOP材料的合成條件溫和，過程非常簡單：將氧化石墨烯水溶液與苯胺以一定比例混合，在常溫常壓下攪拌一段時間，倒掉多余的水即可得到GOP材料。

圖2 GOP材料的擠壓、注射成型示例

GOP材料的這種高度可加工性大大擴展了其應用形態(tài)。例如，GOP材料可以流經細針頭得到較細的纖維，據南極熊了解可以適用于熔融層積型（FDM）3D打印技術。

同時，GOP材料也易于實現平面圖案化。調節(jié)其合成過程中氧化石墨烯與苯胺的用量比例，可以使得到的GOP材料具有合乎要求的流動性。適當降低苯胺用量，可使GOP材料具有類似油墨的狀態(tài)，然后利用傳統的絲網印刷技術，可在基底上得到GOP材料形成的圖案（圖3）。

另外，將GOP材料均勻涂布于基底上，采用無需掩模的激光直寫技術，也可有效地實現GOP材料的圖案化（圖4）。這種易于圖案化的性質使GOP材料有望應用于電子器件，而由于基底選擇的多樣性，GOP材料也能用于制作包括柔性器件在內的新型電子器件。文中，研究者用氫碘酸將GOP中的氧化石墨烯還原為石墨烯（rGO），產物導電性良好，電導率達182 S·cm-1。事先在薄膜上制成的GOP指狀交叉圖形（圖3），在還原后具有超級電容器的性能。測試結果表明，在8.4mA·cm-2的電流密度下，這一平面器件的比電容為41.6mF·cm-2。

圖3絲網印刷技術用于GOP材料的圖案化

圖4激光直寫技術用于GOP材料的圖案化

為實現GOP材料的進一步功能化，擴展其應用范圍，研究者嘗試了在GOP材料中加入磁性Fe3O4納米顆粒，可以使其在磁場作用下沿一定軌道運動�？梢奊OP材料還能與其他材料進一步復合，從而具有更多有趣而有用的性能。由于合成簡便，加工工藝成熟，功能可擴展性良好，GOP材料這一石墨烯基材料在未來石墨烯的應用市場中或可占據一席之地。

相關研究成果在線發(fā)表于知名期刊Advanced Materials上。（Y.Jiang, H. Shao, L. Qu*, et al. Versatile Graphene Oxide Putty-Like Material. Advanced Materials. DOI:10.1002/adma.201603284.）

來源：烯碳資訊