石墨烯也可以3D打印了！可用于汽车、电子器件等多个领域

2025年2月23日

644

石墨烯作为一种具有独特物理和化学性质的二维材料，因其优异的电导率、机械强度和热导率，被认为在电子学、能源存储和电磁干扰（EMI）屏蔽等领域具有巨大的应用潜力。然而，传统的石墨烯加工方法通常依赖于高温处理或化学还原剂，这些方法不仅能耗高，还可能引入杂质，影响材料的性能。此外，石墨烯的疏水性和层间强范德华力使其在水性介质中的分散性较差，限制了其在3D打印等先进制造技术中的应用。

近年来，随着3D打印技术的快速发展，直接墨水写入（DIW）作为一种能够精确控制材料形状和结构的增材制造技术，逐渐成为制造复杂结构材料的重要手段。然而，石墨烯基墨水的开发面临着诸多挑战，包括如何实现石墨烯在水性介质中的均匀分散、如何优化墨水的流变性能以满足3D打印的需求，以及如何在不牺牲材料性能的前提下实现大规模生产。

3D打印技术参考注意到，滑铁卢大学的研究人员针对这些问题，提出了一种全新的无添加剂、基于水的全石墨烯墨水，通过两步电化学方法制备，实现了石墨烯基墨水的高效3D打印，无需后处理还原步骤，为石墨烯在电子学和EMI屏蔽等领域的应用提供了新的思路。

石墨烯的3D打印

本研究的核心在于开发一种无添加剂的石墨烯基墨水，通过两步电化学方法制备，实现了石墨烯的高效分散和墨水的优良流变性能。具体过程如下：

• 石墨烯的电化学合成

研究中采用了一种两步电化学方法来合成石墨烯。研究发现，磷酸插层的石墨烯具有最高的产率（85%），且在电导率和EMI屏蔽性能方面表现出色。

• 墨水的制备与流变性能优化

将合成的石墨烯分散在水中，通过溶剂交换法将其转化为水性墨水。为了满足3D打印的需求，研究团队对墨水的流变性能进行了详细表征和优化。通过调整石墨烯的浓度和插层条件，研究团队成功制备了适用于3D打印的墨水。

• 3D打印实验

使用BIO X生物打印机进行3D打印实验。研究团队设计了多种结构，包括矩形网格和特定形状，以验证墨水的打印性能。打印后的结构经过冷冻干燥处理，以去除水分并固定形状。

通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）等手段对合成的石墨烯进行了表征。结果表明，磷酸插层的石墨烯具有最少的缺陷和最高的电导率（158 S/cm），且在50mm厚度下实现了50dB的EMI屏蔽效能。相比之下，硝酸和硫酸插层的石墨烯由于氧化程度较高，电导率较低。

研究发现，墨水的流变性能与其打印性能密切相关。磷酸插层的石墨烯墨水在3 wt%浓度下展现出最佳的流变性能，其储能模量（G'）和损耗模量（G''）均高于其他样品。此外，该墨水在打印过程中表现出良好的均匀性和形状保真度，能够精确地打印出设计的结构。

打印后的石墨烯结构在干燥后展现出优异的电导率，无需后处理还原步骤。通过扫描电子显微镜（SEM）观察到，打印结构具有多孔的层状结构，这不仅增加了比表面积，还有助于电子传输，进一步提升了材料的性能。

3D打印石墨烯的应用前景

本研究开发的无添加剂石墨烯基墨水为石墨烯在电子学和EMI屏蔽领域的应用提供了新的可能性。这种墨水不仅具有优异的导电性和EMI屏蔽性能，还能够通过3D打印技术制造出复杂的结构，满足个性化和定制化的需求。此外，该方法避免了传统方法中使用的有害化学还原剂和高温处理，符合绿色制造的理念，具有广阔的应用前景。未来，这种石墨烯基墨水有望在多个领域得到进一步应用和推广。