西北工业大学：3D打印石墨烯基超材料的最新发展和应用

来源：材料分析与应用

具有迷人性能和扩展结构设计的先进功能材料大大拓宽了其应用。超材料表现出前所未有的物理性质（机械、电磁、声学等），被认为是物理学、材料科学和工程学的前沿。随着新兴的3D打印技术，超材料的制造变得更加方便。石墨烯由于其优异的比表面积、优异的导电/导热性和出色的机械性能，在现有超材料中增加多功能性以用于各种应用方面显示出广阔的应用前景。

本文，西北工业大学官操教授课题组在《Small》期刊发表名为“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain”的论文，综述旨在概述3D打印石墨烯基超材料的最新发展和应用。首先综述了不同类型超材料的结构设计和3D打印石墨烯基材料的制备策略。然后进一步讨论了3D打印石墨烯基超材料的代表性探索以及这种组合可以引入的多功能性。随后，提出了挑战和机遇，试图指出3D打印石墨烯基超材料的未来方向。

图1. 3D打印石墨烯基超材料的结构设计、打印方法和应用示意图

2.1 超材料的发展和分类
超材料一词的前缀meta是一个希腊借词，意思是超越，表示超材料的奇特特性。超材料可以定义为合理设计的结构材料，这些材料由量身定制的晶胞构建，以实现前所未有的非自然特征。合理的设计是一个关键方面。通过优化晶胞的形状、比例和方向，超材料与其他材料（如散装材料、随机泡沫和图案材料）区分开来。这个有吸引力的概念显示出通过调整内部几何形状来调节材料特性的巨大潜力。本节讨论的超材料的主要关注点是结构设计对不同物理性能的影响，而不考虑组成材料的因素。

超材料的研究在电化学能、生物医学、航空航天和电子通信等领域得到了广泛的关注。电磁超材料开启了超材料的研究，随后是各种其他类型的超材料的发展，如机械、声学和热超材料。由于超材料的特殊性质，它们显示出巨大的应用前景。例如，通过在石墨烯中引入负泊松结构，实现了传感器的应用。EES器件可以引入最小的表面结构，以提高器件的机械性能和电化学性能（能量密度和功率密度）。其他应用包括但不限于电磁波吸收器和响应式设备。

图2. 机械超材料的超高强度/刚度重量比结构

图3. 电磁超材料的仿生结构

2.2 3D打印石墨烯基材料
在讨论了超材料的结构因素之后，本节概述了3D打印石墨烯基材料的可行性。通过不断的努力，研究人员已经实施了多种制造方法来打印基于石墨烯的架构。

图4. 通过直接墨水书写3D打印石墨烯

图5. 通过熔融沉积建模3D打印石墨烯

2.3 获得多功能性
超材料是合理设计的结构材料，使用定制单元来实现前所未有的功能（机械、电磁和声学）。石墨烯在超材料中优异性能的引入显示出获得多功能性的巨大前景，这有利于各种应用。

图6. 具有拉伸性的3D打印石墨烯超材料

图7. 3D打印石墨烯超材料用于电池

小结与展望
本文综述了3D打印石墨烯基超材料的最新进展，重点介绍了超材料的结构设计、3D打印石墨烯技术及其应用。超材料的结构设计主要分为机械超材料、电磁超材料和声学超材料三类超材料的结构，其中机械超材料的结构分为超高强度/刚度重量比结构、辅助结构和五模结构。为了通过3D打印构建石墨烯基超材料，讨论了三种不同的打印方法：DIW，FDM和光聚合。通过使用不同的策略，具有可调结构特征的3D打印石墨烯基超材料在多个长度尺度上表现出增强的性能和多样化的功能，并开始应用于EES器件、响应器件和电磁波吸收器。虽然3D打印石墨烯基超材料还处于早期阶段，需要大量的努力和工作来提高石墨烯超材料的性能和开发其实际应用。作者希望为3D打印石墨烯基超材料的未来发展提供一些启示，并提出更多创新作品，以促进实际应用。

文献信息：https://doi.org/10.1002/smll.202207833